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  1. 2015.11.18 인간에게도 로봇에게도 유용한 전자피부!
  2. 2010.01.26 당신의 청력나이는 몇살입니까?
인간에게도 로봇에게도 유용한 전자피부!


나무 인형 피노키오는 숯불이 가득 지펴진 화로 위에 두 발을 올려둔 채 잠이 들었다. 피곤과 배고픔에 지친 피노키오는 두 발이 천천히 타들어가 재가 된 것도 모른 채 코를 골며 잤다. 왜 피노키오는 두 발이 다 사라질 때까지 눈치 채지 못 했을까? 피노키오는 통증을 느끼지 못 했다. 바꿔 말하자면 다리가 느끼는 통증이 뇌에 전해지지 않았다. 

피노키오가 통증을 느끼지 못 하는 건 피부가 없기 때문이 아닐까? 인간의 피부에는 통증을 느끼고 뇌에 전달하는 신경망이 분포돼 있다. 몸의 어느 부위에 작은 상처만 생겨도 민감하게 느낄 수 있는 신호체계를 갖추고 있는 것. 움직임이 자유롭더라도 피부가 없다면 촉각과 압력, 통증을 느낄 수 없다. 빗물이 몸에 스미지 않도록 막을 수도 없고, 추위가 찾아와도 소름이 돋지 않는다. 경고 시스템이 망가지고 작은 상처도 치명적이 된다. 몸을 둘러싼 껍데기 정도로 여기기 쉽지만 알고 보면 피부는 경이적인 기관이다. 체내 모든 기관 중 면적이 가장 커 모두 펼치면 그 넓이가 18㎡에 이르고, 중량 면에서도 뇌보다 2배나 무겁다. 화상 등으로 피부를 1/3 이상 잃으면 생명까지 위태롭다. 

인공으로 만든 피부가 인간의 진짜 피부와 같이 자연스럽게 넓은 표면을 두르면서, 다양한 기능까지 갖출 수 있을까? 최근 속속 발표되는 전자피부 분야의 연구 성과들은 그 가능성을 높여준다. 전자피부는 각종 센서를 포함한 전자회로를 피부처럼 얇게 만든 것이다. 최근 주목받는 웨어러블 기기의 최종 목적지는 입는 대신 부착하거나 몸에 삽입하고 설치하는 형태가 되리라 예상하는데, 전자 피부는 그 종착지에 가깝다. 

인체에 부착하는 박막센서는 우선 의료용으로 기대된다. 지난해 노스웨스턴 대학과 일리노이 대학 공동 연구팀은 5cm 크기의 박막 센서를 개발했다. 이 기기 속 센서 한 개 크기는 0.5㎟로 작아서 얇고 쉽게 휘어질 수 있게 돼 있으며, 스티커처럼 간단하게 부착할 수 있다. 이 센서는 열을 민감하게 감지해 0.01℃의 미세한 온도 변화도 파악할 수 있고 습도의 변화에도 민감하다고 한다. 연구진은 피부 온도와 습도는 혈류량과 밀접한 관계가 있는 만큼 이 센서를 이용해 건강 상태를 관리할 수 있을 것이라 예상한다. 

서울대 화학생물공학부 김대형 교수는 지난해 파킨슨 환자용 전자피부를 발표한 바 있다. 센서가 파킨슨 환자의 근육이 뒤틀리는 것을 감지하면 내장된 나노 입자가 터지면서 약물이 피부로 투여되는 것. 데이터를 저장해 환자의 상태를 이전과 비교할 수도 있다. 
앞으로 전자식 스티커를 붙이는 것만으로 체온, 심박, 호흡, 산소포화도, 혈류, 혈압, 혈당과 같은 중요 생체 정보를 정확하게 측정할 수 있고, 파킨슨병과 같이 특정 질환에 맞춘 의료용 전자피부가 상용화되리라 예측해볼 수 있다. 혈압이나 혈당을 측정하기 위해 병원을 방문하는 일이 사라지고, 자신이 어떤 증세를 느끼기 전에 병원에서 먼저 연락을 받게 되고, 전자 피부가 응급처치를 하는 등 다른 미래를 상상해 볼 수 있다. 

한편 전자피부가 원래 피부에는 없는 기능을 더해 업그레이드 될 수도 있다. 냄새 맡는 피부가 바로 그런 예다. 국내 연구진은 유해가스 및 유기용매에 의해 물체의 전기 용량이 변화하는 특성을 이용해 촉각과 함께 냄새를 감지하는 인공피부를 만들었다. 이런 기능은 화재나 유독 가스 유출 등의 위험 상황을 빠르게 포착하고, 재난 현장에서의 구조 활동에도 유용하게 사용되리라 기대된다. 그밖에도 소리를 듣거나 자기장을 이용해 위치를 파악할 수 있는 피부 등이 연구되고 있다. 

로봇이나 의수, 의족 등의 기계 장치에 피부와 같은 기능을 부여하는 용도도 주요하다. 로봇 연구가 이제까지는 움직임을 구현하는데 집중했다면 앞으로는 인간과 같은 피부, 무게와 촉감, 압력을 인지하는 정교한 기능에 도전하고 있다. 

지난 10월 미국 스탠포드 화학공학과 즈넨 바오 교수 연구팀은 ‘톡톡’ 치는 것과 ‘꾹꾹’ 누르는 차이를 구별할 수 있는 전자 피부를 개발했다고 발표했다. 이 전자피부는 두 겹으로 돼 있는데, 압력이 가해지면 틀 사이에 있는 탄소 나노튜브가 가까워지면서 전류를 생산하고, 전류의 양에 따라 촉감을 구분한다. 또 이 전기신호를 빛 신호로 바꿔 신경세포에 전달하는 방식을 써 신경세포의 피로도 덜었다. 

유연한 인공 피부를 개발하고 있는 연구자 중 한 명인 영국 글래스고우 대학 다히야 교수는 “앞으로 15~20년이면 인구통계학적 변화에 따라 로봇이 노인을 도와야”하며 그렇게 하기 위해서는 “로봇이 우리가 느끼는 것처럼 촉감과 압력, 무게를 느낄 수 있어야 한다.”고 말했다. 초고령화 사회에서 로봇이 가족과 간병인 역할을 대신 하려면 인간처럼 부드럽고 따뜻해야 한다. 

각개약진으로 진행되는 연구들이 하나로 모아지고, 실제 생활에서 사용되기 까지는 상당한 시간이 걸릴 테고 넘어야 할 산도 많다. 인체에 부착 혹은 삽입하는 전자피부의 경우 생체 부작용이 없어야 한다. 배터리도 문제다. 체온으로 전력을 생산하는 방식, 오징어 먹물로 만들어 독성이 없는 배터리 등 다양한 연구가 진행 중이다. 전자 피부 연구의 진척은 인간은 점차 전자 장치와 합성되고, 로봇과 기계는 인간과 닮아가는 경향을 보여준다. 피노키오는 만들어졌을 때부터 자유자재로 움직이고 생각하고 말하는 아이였다. 하지만 진짜 아이가 되고 싶었다. 사람이 된다는 건 고통을 포함해 온갖 감각을 느낀다는 것. 그 시작은 피부가 아니었을까. 

글 : 이소영 과학칼럼니스트

 

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“이번엔 톰 핸드폰이 울렸어.”
“저렇게 크게 울리는데도 루이스 선생님은 소리가 안 들리나봐. 혼자만 열심히 떠들고 계시네.”
“하하하하, 크크크크”
뉴욕시의 10대들의 학교에서는 고음의 벨소리를 다운받아 선생님 몰래 휴대전화를 쓰는 학생들로 골머리를 앓고 있다.
“수업중 반 학생들 전원이 키득키득 웃고 있는데, 난 학생들이 무엇 때문에 웃고 있는지 전혀 알 수 없었어요.” 맨해튼에 있는 ‘트리니티 스쿨’의 도나 루이스 교사의 말이다. 어른들이 들을 수 없는 벨소리가 있다는 얘기를 듣긴 했지만, 지금도 믿어지지 않는다며 자신의 귀를 의심하기까지 한다.

요즘 미국과 영국에서는 ‘틴벨(Teen bell)’ 서비스가 10대 네티즌들에게 선풍적 인기를 끌고 있다. 우리나라도 마찬가지다. 틴벨서비스는 10대들만 들을 수 있는 1만7000㎐ 이상의 고주파음을 이용한 휴대전화 벨소리이다. 처음 이 소리를 발명하게 된 계기는 조용한 상점에서 시끄럽게 떠드는 젊은이들을 내쫓기 위함이었다. 40대, 50대 손님들은 유유히 카트를 끌고 다니며 쇼핑을 하지만, 10대들은 아주 신경질적인 소리가 나서 견디기 힘들게 만들어 매장을 빠져나가도록 한 것이다. 그런데 재미있게도 미국의 10대 네티즌들이 이 기술을 휴대전화 벨소리에 응용함으로써 사태가 역전됐다.

소리가 높다는 것은 음파의 진동수가 많다는 뜻으로 그 단위는 헤르츠(㎐)이다. 10대들만 들을 수 있다는 것은 연령에 따라 듣지 못하는 소리가 있으며, 나이에 따라 들을 수 있는 주파수 영역이 좁혀진다는 것을 의미한다. 일반적으로 사람은 20~2만㎐까지 들을 수 있고, 200~6100㎐의 소리로 대화를 나누며, 3000㎐ 부근의 소리를 가장 잘 듣는다. 하지만 나이가 들면서 청력이 약해져 50대는 1만2000㎐, 40대는 1만4000㎐, 30대는 1만6000㎐, 20대는 1만8000㎐ 이상을 거의 들을 수 없다.

왜 그럴까? 사람의 귀 고막에는 청신경전달계인 달팽이관이 연결돼 그 입구에서 고주파를 감지하고, 점차 안쪽으로 갈수록 저주파를 느끼게 되는데, 나이가 많거나 큰 소리를 많이 듣게 되면 달팽이관 입구의 신경세포가 손상돼 고주파 음부터 듣지 못하게 되기 때문이다.

최근 인터넷 상에서는 틴벨의 원리를 적용하여 청력나이를 측정하는 ‘청력나이 측정법’ 프로그램이 유행이다. ‘청력나이 측정법’은 10초 동안 일정한 소리를 들려주고 몇 차례 들리느냐에 따라 실제 청력나이를 알려주는 것이다. 음 높이가 다른 9개의 소리를 듣고 10에서 들은 횟수를 뺀 후 거기서 5를 곱하면 자신의 청력나이가 된다. 즉 ‘(10-들은 횟수)×5’가 청력나이다. 9번 이상이면 5~10세, 5번이면 26~30세, 2번이면 41~45세, 한번도 들리지 않으면 51세 이상이다. 또 들리는 소리가 미약하면 0.5회로 환산한다. 아직까지 자신의 쳥력나이가 몇 살쯤 되는지 경험하지 못했다면 한번 테스트해 보는 것도 좋을 듯싶다.
<청력 나이 테스트 하러 가기>

청력나이가 실제 나이보다 높게 나왔는가? 청력나이가 높아지는, 즉 청력이 떨어지는 이유는 지나치게 센 소리를 반복적으로 듣기 때문이다. 소리엔 높낮이뿐 아니라 세기가 있는데 그 단위는 데시벨(㏈)이다.

이를테면 1㏈는 마룻바닥 1m 위의 생쥐 오줌 한방울이 바닥에 부딪혀 나는 소리다. 가을날 나뭇잎이 살랑거리는 소리는 10㏈, 연인이 귀엣말을 속살일 때는 40㏈, 조용한 찻집에서 서로 대화를 나눌 때는 55~60㏈ 이다. 전자오락실과 PC방은 85㏈, 영화관 공사장 비행장 지하철역 등은 90㏈, 노래방 공장 체육관 등은 100㏈까지 올라간다. 나이트클럽이나 사격장의 소음은 115㏈나 되며 워크맨의 소리도 115㏈까지 올라간다. 귓전에서 쏜 총소리는 160㏈까지 되므로 한번에 청신경을 망가뜨릴 수도 있다.

사람의 귀는 6㏈ 높아질 때마다 소리가 2배 크게 들린다. 따라서 기준보다 6㏈이 높으면 소리는 2배, 12㏈이 높으면 4배, 18㏈이 높으면 8배 크게 들린다.

일반적으로 낙엽이 바스락거리는 소리 등 자연의 소리는 사람에게 활력을 준다. 하지만 인위적 소리는 같은 세기라도 상당 부분 소음으로 작용한다. 아무리 좋은 소리라도 90㏈ 이상 되는 소리를 일정 시간 이상 들으면 불쾌하거나 귀에 무리가 올 수 있다. 또 90㏈ 이하의 소리라도 불쑥불쑥 들리는 소리는 소음으로 작용한다.

DMB와 PMP, MP3 등 개인 휴대기기의 발달로 틈만 나면 이어폰을 귀에 꽂는 청소년들이 지하철이나 버스처럼 시끄러운 곳에 있다 보면 소리의 볼륨을 높이기 마련이다. 지하철의 심한 소음은 70~80dB에 이르기 때문에 이보다 10dB 정도 큰 소리로 듣게 된다. 특히 옆 사람이 가사를 알아들을 정도라면 비행기가 이륙할 때 나는 130dB 정도가 되어 청력 손실의 주원인이 된다.

청각 세포는 손상되면 재생이 안 돼 치료가 불가능하다. 그 문제를 인식했을 땐 이미 늦다. 그러나 소리를 듣는 귀 건강은 사람들의 관심권 밖이다. 이제부터라도 디지털기기에서 그만 탈피하여 청력저하에 신경을 쓰면 어떨까. (글 : 김형자 과학칼럼니스트)

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