웨어러블 필름에 인공지능을 결합해 관절의 각도와 움직일때 걸리는 하중을 정확하게 추정하는 기술이 나와 주목된다.

지금까지 관절에 대한 모니터링은 의료기관에서 일부 제한적으로만 가능했다는 점에서 향후 관절 위험과 재활에 획기적 전환점이 될 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다.

현지시각으로 8일 국제학술지 나노 마이크로 레터(Nano-Micro Letters)에는 무릎 관절 모니터링을 위한 웨어러블 기술의 검증 연구 결과가 공개됐다(10.1007/s40820-025-01753-w).

전 세계가 고령화 사회에 들어서면서 관절 질환은 인구의 3분의 1에 영향을 미치는 만성 질환이 될 만큼 급증하고 있다.

이에 대한 진단과 관리, 재활을 위해서는 관절에 걸리는 하중 등 부하와 움직일 수 있는 각도 측정이 필수적이지만 이에 대한 명확한 도구는 없는 것이 사실.

관절이 개인의 해부학적 구조와 활동에 따라 0도에서 135도까지 움직이며 이에 걸리는 하중을 파악하는데는 정확한 센서가 필요하기 때문이다.

이로 인해 대부분 의료기관에서 환자가 무릎을 굽힐때 각도를 직접 재거나 CT나 MRI 등을 통해 해부학적 구조를 파악해 짐작하는 수준에서 검사를 진행하고 있는 것이 사실이다.

옥스포드 대학교 진종 탄(Jin-Chong Tan) 교수가 이끄는 연구진이 이에 대한 웨어러블 기기 개발에 나선 배경도 여기에 있다.

만약 무릎에 부착해 움직임과 하중을 정확하게 측정할 수 있다면 치료와 재활에 큰 도움이 될 수 있다는 판단에서다.

하지만 문제는 있었다. 대부분 웨어러블 기기가 가슴이나 팔뚝 등 평면적 구조에 부착된다는 점에서 관절에 적용하는 것이 쉽지 않았기 때문이다.

이에 따라 연구진은 질화붕소 나노튜브를 활용해 역설계 구조를 채택해 관절에 부착할 수 있는 구조를 만들었다.

또한 고감도 BNNT/폴리디메틸실록산 복합재를 통해 고감도 압전 필름을 구현하고 여기에 인공지능 신경망을 더해 정확한 하중과 각도, 토크를 추정하는 기술을 접목했다.

그 결과 이 기기는 97.5%라는 높은 분류율로 무릎의 각도와 하중 등 각종 주요 물리적 활동을 정확히 잡아내는데 성공했다.

특히 웨어러블 기기의 가장 큰 한계로 꼽히는 전원 문제도 풀어냈다.

최대 1.47 mW m-2의 전력 출력만으로 가동이 가능하며 무릎에 걸리는 하중 등을 다시 에너지로 바꾸는 기술을 적용해 장기 착용이 가능하도록 조치했기 때문이다.

연구진은 이 기술을 활용하면 지금까지 불가능했던 관절의 움직임을 정확히 측정하고 하중과 토크를 정확하게 모니터링할 수 있다는 점에서 관절 위험 관리와 재활에 획기적 전환점을 가져올 수 있다고 평가했다.

또한 저전력과 자원 제한적 설정과 재료로 인해 기기 하나를 만드는데 필요한 비용이 0.8달러(한화 약 1000원)에 불과하다는 점에서 광범위한 활용이 가능하다고 강조했다.

진종 탄 교수는 "지금까지 관절 손상 위험 평가와 재활을 위해 장기 실시간 모니터링이 가능한 기술은 전무했다"며 "하지만 이 기술이 나오면서 일상 생활을 하면서 무릎의 동작과 각도, 하중을 정확하게 측정하는 것이 가능해졌다"고 설명했다.

이어 그는 "특히 제작 원가가 0.8달러에 불과하다는 점에서 전 세계적으로 확산시키는데 제약도 없다"며 "매우 비용 효율적으로 관절 건강을 관리할 수 있는 도구가 될 것"이라고 밝혔다.