KAIST, 땀으로 건강 진단하는 '스마트 패치' 개발

[이코노믹데일리] 앞으로 피를 뽑는 대신 피부에 얇은 패치 하나만 붙이면 우리 몸의 건강 상태를 실시간으로 정밀하게 진단할 수 있는 시대가 열린다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 땀 속 여러 대사산물을 동시에 실시간으로 분석할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했다고 7일 밝혔다.

KAIST 연구진이 땀 속에 포함된 여러 대사산물을 시간 순서대로 채집하고 동시에 분석할 수 있는 ‘스마트 패치’를 세계 최초로 개발했다. 이는 만성질환의 비침습적 관리와 개인 맞춤형 헬스케어 기술 발전에 중요한 전환점이 될 전망이다.

땀은 혈액과 유사하게 우리 몸의 생리학적 상태를 알려주는 다양한 생화학 정보를 담고 있어 ‘비침습적 진단’의 중요한 매개체로 주목받아왔다. 하지만 땀을 효과적으로 수집하고 그 안의 복잡한 성분들을 정밀하게 분석하는 데 기술적 한계가 있었다.
 
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘나노광학 기술’과 ‘미세 유체 기술’을 하나의 유연한 패치에 집약했다. 패치에는 머리카락 굵기의 10만 분의 1 크기인 초미세 ‘나노플라즈모닉 구조’가 탑재돼 있다. 이 구조는 빛과 상호작용해 땀 속에 섞여 있는 미세한 분자의 존재와 농도 변화를 매우 높은 감도로 감지할 수 있다.

동시에 패치 내부에는 6개에서 17개의 챔버(저장 공간)로 연결된 미세한 통로가 설계돼 있다. 운동 중 분비되는 땀은 이 통로를 따라 순차적으로 각 챔버에 채워진다. 이를 통해 연구팀은 운동 시작부터 끝까지 시간에 따라 땀 속 대사산물의 농도가 어떻게 변하는지를 연속적으로 추적하는 데 성공했다.

◆ AI의 힘으로 정밀도 높여…운동 능력부터 질병 위험까지 파악

연구의 핵심적인 돌파구는 인공지능(AI) 기술의 적용이다. 땀은 여러 물질이 섞여 있어 원하는 성분의 신호만 정확히 분리해내기 어렵다. 연구팀은 기계학습 기반의 AI 분석 모델을 개발, 땀 속에 혼합된 복잡한 신호들 속에서도 요산, 젖산, 티로신 세 가지 물질의 신호만을 정확하게 분리하고 정량화하는 데 성공했다.

 
이를 통해 연구팀은 실제 사람을 대상으로 한 실험에서 운동 강도나 식단에 따라 이들 대사산물의 농도가 어떻게 변하는지를 세계 최초로 입증했다. 예를 들어 젖산 수치의 변화를 통해 운동 중 지구력과 근육의 피로도를 파악할 수 있고 요산 수치의 변화를 통해 통풍이나 신장질환의 잠재적 위험을 감지할 수 있다. 티로신은 단백질 대사와 관련이 있어 간 기능 이상의 지표가 될 수 있다.

정기훈 교수는 “이번 연구는 혈액을 채취하지 않고도 땀 패치만으로 체내 대사 변화를 시간에 따라 정밀하게 모니터링할 수 있는 기반을 마련했다”며 “일상적인 건강 모니터링은 물론 운동선수의 컨디션 관리, 만성질환 관리, 약물 반응 추적 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 웨어러블 기기를 통한 비침습적 건강 모니터링 기술이 단순한 심박수나 활동량 측정을 넘어 체내 생화학적 변화까지 정밀하게 분석하는 단계로 진입했음을 보여주는 중요한 사례다. 향후 디지털 셔헬스케어와 예방 의학 분야에서 핵심적인 플랫폼 기술로 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.