시카고대, 피부 부착형 AI 패치 개발: 밀리초 만에 심장 이상 감지

스마트워치로 심박수를 잴 때 일어나는 일은 단순합니다. 센서가 피부에서 신호를 읽고, 이 데이터를 무선으로 클라우드 서버에 보낸 뒤 연산 결과를 다시 받아보는 방식입니다. 평소 컨디션 관리라면 몇 초쯤 걸려도 상관없지만, 1분 1초가 급한 심혈관 질환에서는 이 짧은 지연 시간조차 치명적일 수 있습니다.

시카고대 프리츠커 분자공학대학원(UChicago PME)과 아르곤 국립연구소 연구팀은 외부 서버와의 통신 없이 피부 위에서 밀리초 단위로 건강 데이터를 AI 처리하는 유연한 컴퓨터 패치를 개발했습니다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 실렸습니다.

뇌 시냅스처럼 작동하는 유기 트랜지스터

단단한 실리콘 반도체는 부드럽게 늘어나는 피부 조직에 밀착하기 어렵습니다. 연구팀은 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)를 대안으로 택했습니다.

이 소자는 전류뿐만 아니라 젤 형태 전해질 안에서 이온이 이동하며 정보를 처리합니다. 전해질이 이전 상태를 기억하기 때문에 개별 트랜지스터가 마치 인간 뇌의 시냅스처럼 작동하며 신경망 연산을 수행할 수 있습니다.

문제는 제작 공정이었습니다. 젤 전해질이 액체처럼 흘러내려 인접 소자와 합선되기 쉬운 데다, 유연한 기판은 열과 화학 용매에 취약해 기존 반도체 미세 공정을 적용하기 힘들었습니다.

연구팀은 자외선을 쬐면 정밀한 구조로 굳는 폴리머 젤을 개발해 반도체 업계의 기본 기술인 포토리소그래피(노광 공정)를 그대로 활용했습니다. 이를 통해 유연 기판 1제곱센티미터 안에 최대 1만 개의 유기 트랜지스터를 집적하는 데 성공했습니다.

1.5배 늘려도 99.6% 정확도로 부정맥 추적

연구팀은 즉각적인 개입이 필요한 치명적 부정맥인 심실세동을 추적하도록 사전 훈련된 알고리즘을 패치에 올려 성능을 검증했습니다. 심실세동 치료는 보통 심장 전체에 강한 전기 충격을 가하는 제세동에 의존하지만, 학계에서는 비정상 전기 파동을 실시간으로 추적해 퍼지기 전 미세한 펄스로 잡는 정밀 치료를 연구해 왔습니다.

문제는 속도입니다. 심장의 전기 파동은 순식간에 퍼져나가기 때문에 데이터를 원격 서버로 보내 분석하는 방식으로는 대응이 불가능합니다.

기증받은 인간 심장 데이터를 활용한 실험에서, 연구팀의 패치는 원래 길이의 1.5배 이상으로 잡아당긴 상태에서도 99.6%의 정확도로 전기 파면의 위치를 찾아냈습니다. 또한 콜레스테롤, 혈당, 최대 심박수, 심전도 데이터를 분석해 심장마비 위험을 예측하는 별도 테스트에서는 83.5%의 정확도를 기록했습니다.

왜 중요한가

지금의 웨어러블 헬스케어 기기는 대부분 원격 서버에 의존하는 '데이터 수집기'에 가깝습니다. 이번 연구는 민감한 생체 정보를 외부로 전송하지 않고, 피부 표면에서 AI가 직접 판단을 내리는 온바디(On-body) 엣지 컴퓨팅의 실현 가능성을 보여줬습니다.

물론 당장 일상에서 쓸 수 있는 단계는 아닙니다. 심장마비 위험도 예측 정확도 83.5%는 상용 의료기기 수준으로 끌어올려야 하며, 실제 인체에 장시간 부착했을 때의 내구성과 전력 공급 문제도 남아 있습니다.

우리가 보기에 이 연구의 가장 영리한 지점은 기존 마이크로 반도체 노광 공정을 그대로 쓸 수 있도록 유연 소재를 개량했다는 점입니다. 양산이 불가능한 실험실 수준의 아이디어에 머물지 않고 대규모 집적 회로를 찍어낼 수 있는 길을 열어둠으로써, 향후 웨어러블이나 체내 이식형 의료 기기 제조 생태계에 직접적인 영향을 줄 것으로 보입니다.