인체열을 통한 전자장치의 전력 공급 웨어러블

캔자스 주립대학교(Kansas State University) 연구진들은 우주에서 착용하는 우주인들의 아웃웨어를 개선하는 연구를 진행하고 있다. 전기공학과 컴퓨터공학 교수와 여러 명의 학생이 포함된 협력 연구팀은, 우주인들의 건강을 모니터링하고 전자장치에 전력을 공급하기 위해 인체 열을 사용하는 미래의 우주복을 연구 중이다. 모델 우주복과 작업함으로써, 엔지니어들은 우주인들이 건강을 유지하면서 미래의 우주 미션에서 어떤 착용 가능한 센서가 사용될 수 있는지를 연구 중이다. 

이 프로젝트는 미국 항공우주국이 지원하는 3년간의 750,000달러 자금으로 진행되며, 공과대학(College of Engineering)의 전기 및 컴퓨터공학과, 전자 디자인 실험실과 휴먼 생태대학(College of Human Ecology)의 신체운동학과(kinesiology department)와 의복, 직물 그리고 실내디자인학과가 참여하고 있다. 

전기 및 컴퓨터공학과 윌리엄 쿤(William Kuhn) 교수와 같은 학과 조교수인 스티븐 와렌(Steven Warren) 교수는 엔지니어링 분야에서의 핵심 연구원이다. "이 프로젝트는 시스템 차원의 엔지니어링 연구에서 많은 학부생과 대학원생을 지원하며, 그들이 미래의 테크놀로지스트가 될 수 있도록 한다"고 쿤(Kuhn) 교수는 말했다. 

이 프로젝트는 5개의 파트로 구성되며, 각 파트에 학생들이 참여한다. 
- 호흡률이나 근육 활동도와 같은 우주인의 중요한 생체 데이터를 모니터링할 수 있는 바이오센서의 개발과 시험 
- 우주복 바이오센서가 서로서로 그리고 우주정거장과 통신을 할 수 있는 특수 무선 네트워크의 창조 
- 우주인이 우주복 내에 있을 동안, 무선장치와 바이오센서에 전력을 공급하는 에너지 하베스팅 기술의 사용 
- 바이오센서와 에너지 하베스팅 전자장치를 위한 하드웨어 프로토타입의 창조 
- 홈 케어 분야에 적용될 수 있는 새로운 무선기술과 무선장치와 같은 스핀오프 기술의 개발 

"이 프로젝트는 당신이 우주에서 무엇인가를 해야 할 때, 시스템의 휴먼 요소와 비휴먼 요소 모두를 다시 생각할 필요가 있는지에 대한 좋은 본보기이다. 우리는 인간의 생리학과 중력이 감소하는 환경에서 사람이 육체적으로 변함에 따라 무슨 일이 일어나는지를 배워야 할 것이 많다"고 와렌(Warren) 교수는 말했다. 

엔지니어들은 3D 전자기장 시뮬레이터와 우주복 모델을 사용하고 있다. 실제 우주복은 13백만 달러 정도의 비용이 들기 때문에, 의복, 직물 그리고 실내디자인학과 마스터스 학생인 에린 몽포르트-넬슨(Erin Monfort-Nelson)씨가 우주 셔틀 프로그램에서 사용되는 우주복과 비슷한 복제품을 만들었다. 이 복제 우주복은 우주인을 보호하고 그들을 따뜻하게 유지하기 위해 실제 우주복 내에 있는 층들을 모델링한 금속화된 직물을 포함한 여러 가지의 재료 층으로 만들어진 것이다. 

우주복이 가진 산소가 풍부한 환경에서 축전지는 너무 위험하여 설치하기 어렵다. 그래서, 연구팀은 에너지를 모으기 위한 새로운 에너지 하베스팅 방법을 개발하는 중이다. 이 방법은 우주복 내부에 있는 무선장치와 전자장치에 전원을 공급하기 위해 인체 열과 우주복의 냉각용 재료 사이에 존재하는 온도 차이를 사용한다. "이것은 우리가 통합회로 디자인, 소프트웨어 디자인, 바이오의학적 센서 그리고 사람의 생물학 특성 모두를 통합시키는 시스템 차원의 프로젝트"라고 쿤(Kuhn) 교수는 말했다. 

우주에서의 통신과 전력에 대한 도전에 추가되는 것은 우주인의 몸도 우주에서 변화한다는 사실이다. 근육 무게와 뼈의 밀도는 감소하고 우주인의 시야도 변한다. 와렌(Warren) 교수는 우주인들이 그들의 건강을 측정하고 피로 정도를 예측하기 위해 착용할 수 있는 센서를 개발하기 위해 신체운동학과 교수인 토마스 바스토우(Thomas Barstow) 교수 및 학생팀과 작업을 공동으로 진행하고 있다. 연구에는 사닥다리를 올라가거나 암석 샘플을 모으는 것과 같은 시뮬레이션된 작업이 포함되어 있으며, 캔자스 주립대학교 연구팀에 의해 개발된 상업용 센서와 장치 모두를 착용하는 것도 포함된다. 

착용 가능한 인체 네트워크 센서에는 다음이 포함된다. 
- 근육 활동도를 모니터링하는 근전도 센서(Electromyographic sensors) 
- 운동을 측정하는 가속도계 
- 혈액 산소 포화도와 박동률을 측정하기 위해 이마, 손목 또는 손가락에 착용되는 맥박 산소 측정센서(Pulse oximetry sensors) 
- 호흡률을 측정하기 위해 가슴에 착용하는 호흡용 벨트 

또한, 엔지니어들은 이러한 센서들이 우주복 내에서 그리고 우주선 허브와 서로 통신하여 우주정거장이 정보를 다시 전송하는 방법도 개발하는 중이다.

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.energyharvestingjournal.com/articles/astronauts-body-heat-to-power-electronics-00006021.asp