스마트 인솔이 보행 기반 건강 추적의 미래를 열다

우리 모두가 매일 하는 활동 중 하나는 걷는 것입니다. 자신이나 다른 사람의 걸음걸이에 크게 주의를 기울이지 않을 수도 있지만, 그 보행은 건강에 대해 많은 정보를 알려줄 수 있습니다.

이는 중추신경계가 사지의 움직임을 제어하고 몸이 움직이는 동안 자세를 유지하는 데 관여하기 때문입니다.

운동 및 보행 장애는 실제로 신경 손상, 근골격계 질환 및 퇴행성 병리의 결과입니다. 전통적으로 이러한 상태는 의사가 신체 및 의료 검진을 기반으로 진단하며, 보행 분석은 고급 병원에서 제한된 환자에게만 수행되었습니다.

많은 과학자들은 보행 분석이 이러한 질병 위험이 있는 모든 환자와 장기 재활이 필요한 환자에게 수행되어야 한다고 주장합니다. 이는 여러 이유에서 타당합니다.

예를 들어, 미국 인구의 약 7%가 보행, 달리기, 이동 또는 계단 오르내리기와 관련된 심각한 보행 장애를 겪고 있습니다. 이러한 보행 장애는 치매 및 파킨슨병(PD)과 같은 많은 신경인지 장애의 흔하고 중요한 특징이며, 이러한 질환은 증가 추세에 있습니다.

특히 파킨슨병은 근육 움직임을 제어하는 데 어려움을 초래하며, 이는 자세 불안정 및 보행 동결로 나타납니다. 뇌졸중 역시 비대칭적인 사지 움직임을 유발합니다.

또한 이러한 질병에는 막대한 비용이 수반됩니다. 예를 들어, 운동 장애는 미국 GDP의 약 5%에 해당하는 비용을 차지합니다. 그리고 많은 질병이 불균형 보행 및 비정상적인 걸음걸이와 같은 운동 제어 감소를 특징으로 합니다.

이러한 운동 징후의 변화는 실제로 질병이 진단되기 훨씬 전에 감지될 수 있으며, 치료에 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병의 경우 임상 진단 기준을 충족할 때쯤이면 환자 신경세포의 대부분이 이미 퇴화해 있습니다.

따라서 일상 활동 중 보행 및 족저 압력을 모니터링하여 다양한 질환을 조기에 발견하고, 조기 개입을 통해 질병 진행을 예방하거나 늦출 수 있는 필요성이 명확합니다.

초기 단계에서 보행 불규칙성을 식별하면 의료 전문가가 개인 맞춤형 치료 접근법을 취하고 전반적인 환자 결과를 개선할 수 있습니다.

특정 질환을 진단하고 관리하는 것 외에도, 노인 인구의 보행 분석은 전반적인 건강과 독립성을 유지하기 위한 비침습적이며 비용 효율적인 방법을 제공합니다.

여기서 스마트폰, 센서, 감지 섬유와 같은 기술은 개인의 활동을 모니터링하기 위한 저비용 및 손쉽게 이용 가능한 옵션 중 일부입니다. 웨어러블 디바이스는 일상적인 보행 감시를 제공하는 또 다른 중요한 도구입니다.

특히, 신발에 센서를 통합하여 착용 가능한 전자 디바이스를 만드는 전략은 현재 의료 현장에서 족저 압력 분포를 측정하기 위해 사용되는 압력 센싱 플랫폼의 문제점을 극복하는 유망한 전략입니다.

이러한 플랫폼의 사용은 시간 및 공간 제약에 의해 제한됩니다. 따라서 새로운 연구에서는 체중 부하 활동(예: 걷기) 중 족저 압력의 공간적 분포를 측정하기 위한 스마트 무선 인솔 시스템을 구축했습니다. 이 완전 통합된 자체 전원 시스템은 여러 모드에서 실시간 보행 시각화를 가능하게 합니다.

통합 센서 네트워크를 통한 실시간 보행 모니터링

오하이오 주립대학 연구진은 사용자가 서고, 걷고, 달리는 모습을 실시간으로 모니터링하는 새로운 착용형 스마트 인솔을 설계했습니다. 이 시스템은 사용자가 자세를 개선하도록 돕는 것뿐만 아니라, 족저근막염(발 뒤꿈치 통증의 흔한 원인)부터 파킨슨병과 같은 보다 심각한 상태에 이르기까지 다양한 질환에 대한 조기 경고를 제공할 수 있습니다.

이 웨어러블은 22개의 소형 (CNT/ACET/PDMS) 압력 센서를 사용하여 제작되었으며, 신발 상단에는 작은 태양광 패널이 전원 공급에 활용되었습니다.

전체 시스템을 효과적이고 지속 가능하게 전력 공급하기 위해, 높은 전력 밀도와 높은 전력 변환 효율을 갖추고 사용 시 기계적 스트레스를 견딜 수 있는 충분한 유연성을 지닌 플렉시블 페로브스카이트 태양전지(FPSC)가 설계되었습니다.

이 시스템은 사람의 보행 방식을 기반으로 실시간 건강 추적을 제공하며, 이는 지문만큼이나 고유한 과정입니다.

압력 감지 데이터는 블루투스를 통해 스마트폰으로 전송되어 빠르고 상세한 분석이 이루어집니다. 데이터는 실시간으로 전송되어 사용자가 스마트폰 앱에서 세 가지 다른 모드로 족저 압력 분포를 시각화할 수 있게 합니다.

“우리 몸은 우리가 인식하지 못하는 많은 유용한 정보를 담고 있습니다. 이러한 상태는 시간에 따라 변하기도 하므로, 우리는 전자기기를 활용해 이러한 신호를 추출하고 해독함으로써 더 나은 자기 건강 관리 검진을 장려하는 것을 목표로 합니다.”

물론, 이것이 최초의 웨어러블 시도는 아니며, 최근 몇 년간 관심이 크게 증가했습니다. 이전 프로토타입은 낮은 에너지 제한과 불안정한 성능에 직면했습니다.

따라서 팀은 웨어러블이 내구성이 뛰어나고 일관되고 신뢰할 수 있는 전원을 제공하며, 높은 정확도로 데이터를 수집하고 분석할 수 있도록 해야 합니다.

“우리 장치는 고해상도, 공간 감지, 자체 전원 공급 능력 및 머신러닝 알고리즘과 결합할 수 있는 능력 측면에서 혁신적입니다. 따라서 우리는 이 분야의 선구적인 성공을 바탕으로 연구가 더 나아갈 수 있다고 생각합니다.”

– 연구의 주 저자인 오하이오 주립대학 재료과학 및 공학 박사과정 학생 Qi Wang

Science Advances 저널에 게재됨¹, 이 연구는 완전 자체 전원 스마트 시스템의 개발을 상세히 다룹니다.

이 인솔은 폴리이미드(PI) 캡슐화 층, 전극, 탄소 나노튜브/아세틸렌 블랙/폴리디메틸실록산(CNT/ACET/PDMS) 및 PDMS 층으로 구성됩니다. PDMS는 생체 적합성, 유연성 및 다양한 형태로 성형할 수 있는 능력으로 알려져 있습니다.

센서는 PDMS 층에 밀집하게 통합되어 압력 신호를 전기 신호로 변환합니다. 이 신호는 인쇄 회로 기판(PCB)상의 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 수집되어 모바일 디바이스로 전송됩니다.

센서 구조 재료로 PDMS를 사용하고 센서를 PDMS 층에 삽입함으로써 인솔은 높은 내구성을 갖게 되며, 늘어나고, 비틀리고, 접히는 등 다양한 물리적 변형을 견딜 수 있습니다.

스마트 의류가 모션 캡처를 통해 스포츠 및 물리치료를 변화시킬 수 있는 방법을 알아보려면 여기를 클릭하세요.

AI 기반 동작 인식 및 지속 가능한 전원 솔루션

CNT/ACET/PDMS 압력 센서의 설계 및 개발 외에도, 완전 통합된 무선 스마트 인솔 시스템은 지속 가능한 전원 공급을 보장하고 AI를 활용해 동작 상태를 정확히 포착·인식하는 두 가지 주요 성과를 달성했습니다.

팀은 실제로 서포트 벡터 머신(SVM) 학습 모델을 스마트 인솔 시스템에 통합하여 다양한 인간 동작 상태를 분류하고 인식했습니다.

딥러닝 모델에 비해 이 머신러닝 모델은 훈련 속도가 빠르고 대규모 데이터셋에 의존하지 않으며, 명확한 의사결정 경계와 분명한 최적화 목표를 제공해 본 연구에 적합합니다.

모델은 8가지 서로 다른 동작 상태에서 수집된 데이터를 기반으로 훈련되었습니다. 데이터셋은 총 1,275개의 라벨링된 샘플을 포함했으며, 그 중 80%는 훈련에, 나머지는 검증에 사용되었습니다.

훈련이 완료된 후, SVM 모델은 입력 데이터를 분류하고 인식 결과를 생성했으며, 연구에 따르면 모든 훈련된 상태에 대해 100% 정확도를 보였습니다.

이 고급 모델을 활용해 시스템은 8가지 서로 다른 동작 상태를 식별할 수 있었습니다. 여기에는 앉기와 서기와 같은 정적 움직임부터 스쿼트와 달리기와 같은 동적 움직임까지 포함됩니다. 또한 한쪽 다리로 서기, 걷기, 계단 오르내리기도 포함됩니다.

발가락에서 뒤꿈치까지 센서가 배치됨으로써 연구자들은 걷기와 달리기와 같은 활동에 따라 발 부위별 압력이 어떻게 달라지는지 확인할 수 있습니다.

발가락과 뒤꿈치 부위의 복잡한 압력 패턴 때문에 해당 부위에 더 많은 센서를 배치하고, 아치 부위에는 적은 수(단 2개)만 배치했습니다. 이 설계 전략은 제한된 센서 수에도 필수적인 발 압력 정보를 효과적으로 포착하도록 보장합니다.

예상대로, 걷는 동안에는 뒤꿈치에서 발가락으로 순차적으로 압력이 가해지는 반면, 달리기에서는 거의 모든 센서가 동시에 압력을 받습니다. 또한, 걷는 동안 압력 적용 시간은 전체 시간의 약 절반에 해당하고, 달리기에서는 약 1/4에 불과합니다.

안전성 측면에서 팀은 인솔에 유연하고 안전한 소재를 사용함으로써 장치의 위험성을 낮추었습니다.

지속적인 사용을 위해 팀은 웨어러블 시스템에 전원을 공급하는 작은 리튬 배터리를 설치했습니다. 플렉시블 페로브스카이트 태양광 모듈(FPSM)은 햇빛을 에너지로 변환하고, 이 에너지는 배터리에 저장되어 자급형 전원 공급을 가능하게 합니다. 이러한 배터리는 인솔의 아치 부위에 통합되어 편안함, 편리함 및 안정성을 향상시키며, 사용자의 일상 활동에 영향을 주거나 해를 끼치지 않습니다.

맞춤형, 예방형 및 예측형 의료를 향하여

성능 측면에서 연구진이 만든 스마트 인솔은 인상적인 결과를 보여주었습니다. 180,000회의 압축·압축 해제 사이클 후에도 눈에 띄는 성능 저하가 없었으며, 이는 안정성과 장기 내구성을 입증합니다.

“이 인터페이스는 유연하고 매우 얇아 반복적인 변형 중에도 기능을 유지할 수 있습니다. 소프트웨어와 하드웨어의 결합으로 제한이 적습니다.”

– Li

따라서 연구진은 스마트 인솔을 통해 파킨슨병, 근골격계 질환 및 당뇨병성 족부 궤양과 같은 족저 압력 관련 질환과 연관된 초기 이상을 감지하기 위한 보행 분석을 지원하고자 합니다.

시스템의 저비용과 기계적 견고성 및 제작 용이성은 높은 아치 또는 평발 환자를 위한 맞춤형 인체공학적 설계를 가능하게 합니다.

또한, 새로운 시스템에 AI를 활용함으로써 각 개인의 특정 요구와 생활 방식에 맞춘 맞춤형 의료 서비스를 제공할 수 있습니다. 이는 착용자가 자세 교정, 부상 예방 및 재활 모니터링에도 활용할 수 있음을 의미합니다.

하지만 이것이 전부는 아닙니다; 연구진은 이 시스템이 향후 동작 최적화, 피로 예측 및 맞춤형 피트니스 트레이닝에 적용될 수 있다고 믿고 있습니다. 연구는 다음과 같이 언급했습니다:

“전반적으로, 통합 스마트 인솔은 차세대 의료 실천과 사물인터넷을 혁신할 수 있는 실현 가능한 솔루션으로 작용합니다. 재료, 디바이스, 하드웨어 및 소프트웨어의 시너지를 결합한 개념은 다른 분야로 확장될 가능성이 있으며, 인간과 세계 사이의 디지털 상호작용에 흥미로운 기회를 열어줄 수 있습니다.”

이제 이러한 웨어러블을 언제 구입할 수 있는지 궁금하다면, 연구진은 이 기술이 향후 3~5년 내에 상용화될 것으로 예상하고 있습니다.

현재 연구진은 시스템의 제스처 인식 능력을 더욱 향상시키기 위해 노력하고 있으며, 이를 위해 보다 다양한 인구 집단에 대한 테스트가 필요합니다. Li에 따르면:

“개인마다 다양한 차이가 있기 때문에, 이러한 뛰어난 기능을 다양한 인구 집단에 대해 시연하고 훈련하는 데 더 많은 관심을 기울여야 합니다.”

실시간으로 호흡 응축액을 분석하여 질병을 감지할 수 있는 새로운 스마트 마스크에 대해 알아보려면 여기를 클릭하세요.

혁신적인 기업들

Nike Inc.

웨어러블 분야에서 기술 대기업 Apple (AAPL )와 Alphabet Inc. (GOOG ) (GOOGL )는 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다. Apple은 Apple Watch를 통해 웨어러블 헬스 기술을 선도하고 있으며, Google은 피트니스 트래커 Fitbit으로 입지를 다지고 있습니다.

하지만 오늘은 디지털 헬스와 스마트 의류 분야를 지속적으로 확장해 온 신발 거인 Nike에 대해 다루겠습니다.

웨어러블 시장에서 Nike는 수년간 스포츠 시계 및 활동 추적 밴드와 같은 손목 착용 디바이스를 포함한 다양한 제품을 제공해 왔습니다.

지난 여름, Nike는 자체 신축 농구화 Adapt BB를 출시했으며, 이름 그대로 실시간으로 발 모양에 맞게 조정되어 최적의 착용감을 제공합니다. 신발 내부의 맞춤형 모터와 기어 트레인이 발 주변 공간을 감지하고 이후 조절하여 편안한 착용감을 제공합니다.

Nike Adapt BB는 앱과 고급 파워 레이싱 시스템을 갖춘 지속적으로 업데이트되는 퍼포먼스 제품입니다. 회사는 농구를 신발 출시 무대로 선택했으며, FitAdapt 시스템은 향후 다른 스포츠 및 라이프스타일 제품에도 적용될 예정입니다.

Nike는 또한 회복 기술 제공업체 Hyperice와 파트너십을 맺어 Hyperboot이라는 기술 기반 부츠를 개발한다고 발표했습니다. 이 협업의 목표는 운동선수의 성능과 회복을 향상시키는 웨어러블 기술을 개발하는 것입니다.

이 배터리 구동 하이탑 신발은 워밍업과 회복 모두에 도움이 되도록 설계되었습니다. 부츠는 열과 동적 공기 압축 마사지를 제공하며, 버튼 하나만 눌러 최대 세 단계로 조절할 수 있습니다.

“Hyperboot은 타이틀을 위한 경기든, 직장에서 오래 서 있든, 몸을 활동에 준비시키는 데 도움을 줍니다.”

– Tobie Hatfield, Nike Athlete Innovation 수석 이사

이 파트너십은 또한 열전 냉각기를 사용해 즉각적인 가열 및 냉각을 제공하는 다목적 베스트 개발에도 착수하고 있습니다. 이를 통해 선수들은 제어할 수 없는 환경에 대응할 수 있습니다. 베스트에 장착된 열 모듈의 센서는 자율적으로 체온을 모니터링하고 유지합니다.

시가총액 845억 달러인 Nike 주식은 현재 $57.23에 거래되고 있으며, 연초 대비 24.5% 하락했습니다. EPS(TTM)는 3.01, P/E(TTM)는 19.04, ROE(TTM)는 31.93%이며, 배당 수익률은 2.80%입니다.

회사 재무와 관련해, 2025년 3월 Nike는 2025년 2월 28일에 종료된 3분기 실적을 보고했으며, 매출은 113억 달러로 전년 대비 9% 감소했고, 총 마진은 41.5%로 감소했으며, 희석 주당 순이익은 $0.54로 30% 감소했습니다.

분기 말 현금 및 현금성 자산과 단기 투자액은 104억 달러였으며, Nike는 배당금 5억 9400만 달러와 자사주 매입 4억 9900만 달러를 통해 주주에게 11억 달러를 반환했습니다.

“이번 분기에 NIKE가 큰 영향을 미친 점이 고무적입니다. 선수 스토리텔링, 퍼포먼스 제품, 그리고 큰 스포츠 순간들을 통해 스포츠를 선도하고 있습니다. 운영 환경은 역동적이지만, NIKE에게 가장 중요한 것은 새로운 제품 혁신으로 선수들을 지원하고 스포츠를 통한 브랜드 모멘텀을 재점화하는 것입니다.”

– CEO Elliott Hill

4분기에 대해 회사는 예상보다 더 큰 하락을 전망하고 있습니다. 흥미롭게도, 올해 Nike는 거의 30년 만에 첫 슈퍼볼 광고를 진행했습니다. 현재 회사는 도널드 트럼프 대통령의 보복 관세 위협에 직면하고 있으며, 이는 특히 베트남, 인도네시아 및 중국에서의 공급망에 영향을 미칩니다.

다음 물결의 웨어러블에 대해 알아보려면 여기를 클릭하세요.

결론 

전 세계 인구가 급속히 고령화됨에 따라 신체 기능과 독립성을 유지하는 것이 전반적인 복지에 매우 중요해지고 있습니다. 여기서 보행 모니터링은 신경계에 영향을 미치는 다양한 연령 관련 질환을 평가하고, 고령 세대의 건강 및 잠재적 이동성 제한에 대한 귀중한 통찰을 제공하는 비용 효율적인 방법의 핵심입니다. 보행 분석은 또한 이상이 만성화되거나 심각해지기 전에 감지할 수 있는 유망한 조기 진단 도구를 제공합니다.

최신 자체 전원 시스템은 실시간 보행 분석을 통해 예방 의료에 큰 잠재력을 보여줍니다. AI와 스마트폰 앱과의 통합은 자세 교정, 부상 예방, 심지어 낙상 감지를 대중에게도 제공할 수 있어 더 건강한 인구와 미래를 촉진합니다.

참고 연구:

1. Wang, Q., Guan, H., Wang, C., Lei, P., Sheng, H., Bi, H., Hu, J., Guo, C., Mao, Y., Yuan, J., Shao, M., Jin, Z., Li, J., & Lan, W. (2025). 무선, 자체 전원 스마트 인솔을 이용한 보행 모니터링 및 비선형 시너지 압력 감지를 통한 인식. Science Advances, 11(16). https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1598