웨어러블 땀 모니터: 머신러닝을 사용하여 작업자를 탈수로부터 보호한다.

매사추세츠 대학교 애머스트(Amherst)의 엄격한 연구를 기반으로 한 땀과 수분 공급을 모니터링하는 장치가 최초로 상용화되었으며 탈수와 직장 사고 시 탈수의 역할로부터 "산업 운동선수"를 보호하는 데 도움이 될 준비가 되었다.

UMass Amherst의 연구원들은 매사추세츠 주 케임브리지에 본사를 둔 디지털 건강 회사인 Epicore Biosystems와 제휴하여 Epicore의 새로운 웨어러블 땀 및 수분 모니터인 Connected Hydration을 검증했다.

Connected Hydration은 "산업 운동선수" 또는 개인 보호 장비를 착용한 채 덥고 습한 환경에서 많은 강렬한 신체 활동이 필요한 직업에 종사하는 사람들을 위해 설계되었다. 이러한 환경은 근로자를 탈수 및 작업 사고의 위험에 빠뜨린다.

Epicore Biosystems의 최고 디지털 책임자이자 공동 창업자인 AJ 아라뇨시(AJ Aranyosi)는 체중에 따른 2%의 체액 손실로 인해 인지 기능이 저하된다고 설명한다. “문헌을 뒤돌아보면 산업계에서 실제로 발생하는 사고의 근본 원인은 열사병과 열사병이다.”라고 그는 말한다. “현재 많은 국가 근로자 안전 지침은 기상 조건과 일반인을 기준으로 한 일반적인 권장 사항을 제시하지만 [하지만] 일반인과 같은 것은 없다. 사람들이 흘리는 땀의 양, 땀의 구성은 사람마다 다르다.”

이것이 바로 Connected Hydration이 등장하는 이유이다. Connected Hydration은 직원들이 행동 통찰력과 개인 땀 및 전해질 손실에 대한 더 나은 이해를 통해 탈수 및 열 노출의 해로운 영향에 적극적으로 대처할 수 있도록 지원한다. 이 장치를 통해 사용자는 땀의 양과 구성에 따라 수분 수준을 모니터링할 수 있다. 이두근에 착용하는 이 장치에는 마이크로 채널과 채널이 땀으로 가득 차면 진동하여 착용자에게 수분을 보충하도록 경고하는 감지 모듈이 포함되어 있다.

“갈증은 매우 주관적인 것이다.”라고 아라뇨시는 말한다. “운동선수를 대상으로 한 수십 년간의 연구를 통해 우리는 갈증을 느낄 때 이미 어느 정도 탈수 상태라는 것을 알고 있다. 우리가 아는 또 다른 사실은 사람들이 갈증에 반응하더라도 잃어버린 것을 완전히 보충할 만큼 충분히 마시지 않는 경향이 있다는 것이다. 갈증에 반응하는 것만으로는 사람들이 안전하게 수분을 섭취할 수 없다.”

휴대폰에 무선으로 연결되면 플랫폼은 시간 경과에 따른 땀의 전해질 농도에 대한 더 큰 통찰력을 제공하고 사용자가 물 섭취량을 기록할 수 있다. 또한 클라우드에 연결하여 고용주가 집계된 직원 데이터를 보고 직원이 안전하게 수분을 섭취하는지 또는 개입이 필요한지 결정할 수 있다.

Connected Hydration의 상업적 출시를 준비하기 위해 Epicore는 UMass Amherst Institute for Applied Life Sciences(IALS)의 핵심 시설을 활용하여 제품을 개선하고 검증하는 데 필요한 데이터를 얻었다.

IALS에 위치한 인간 건강 성과 센터의 책임자인 마이크 부사(Mike Busa)는 "전체 체수분 손실을 평가하는 가장 좋은 기준은 활동 전후의 개인의 건조 체중 차이를 측정하는 것이다."라고 말한다. 그는 진정한 폐쇄형 시스템을 만들기 위해 데이터를 수집하는 데 사용한 엄격함의 수준을 설명한다. 여기에는 연구가 시작되기 전 수분 상태를 테스트하기 위한 소변 분석, 미리 무게를 잰 옷, 운동 전후에 알려진 체중의 옷을 입은 사람들의 건조 체중 측정, 테스트 자체 중 배뇨를 통한 물 소비 및 수분 손실 추적이 포함되었다.

인간 건강 성과 센터의 운영 관리자이자 수석 생리학자인 코리나 세르비엔테(Corinna Serviente)는 "우리는 공간의 온도를 면밀히 제어하고 다양한 장치를 사용하여 참가자를 모니터링할 수 있다."라고 말한다. “우리는 산업 근로자를 위해 현장에서 볼 수 있는 것과 같은 개인 보호 장비를 착용한 참가자 44명을 배치했다. 실내 열량계의 온도를 86°C로 높인 후 참가자들에게 심부 체온, 심박수, 수분 손실량, 활동 수준을 측정하는 여러 장치를 착용하고 운동하게 하여 Epicore 개발 및 테스트에 필요한 데이터를 제공했다. 현장 테스트에서는 할 수 없었던 방식으로 물 손실 알고리즘을 구현했다.”

"누군가는 땀을 0.5파운드 또는 1/4파운드 정도 잃을 만큼 땀을 흘릴 수도 있다."라고 아라뇨시는 덧붙인다. "체중이 200파운드인 사람의 체중을 측정할 때 1/4파운드의 차이를 찾고 있다면 체중 변화의 가능한 모든 원인을 고려해야 한다."

연구진은 땀 손실을 측정하기 위해 건조 중량을 사용하는 것 외에도 Discovery Patch라고 불리는 Epicore 장치의 비전기 버전을 사용하여 참가자의 땀을 캡처했다. 연구팀은 질량분석기를 이용해 땀의 전해질 성분도 분석했다.

그런 다음 Epicore Biosystems에 전달된 데이터는 Connected Hydration 기술을 개선하기 위한 머신러닝 알고리즘을 만드는 데 사용되었다.

"우리는 알고 싶다. 장치 내부에 얼마나 많은 땀이 있는지, 그리고 그 사람이 몸 전체에서 얼마나 많은 땀을 흘렸는지를 어떻게 매핑할까?" 아라뇨시는 말한다. “우리는 번역을 수행하는 방법에 대한 초기 최선의 추측으로 이 연구를 시작했다. 이 연구의 결과로 우리는 [장치의] 전압, 땀 손실, 염분 농도를 매핑하고 궁극적으로 보다 정확한 측정 및 피드백을 제공할 수 있는 새로운 공식을 도출할 수 있었다.”

UMass 측에서는 이 협력이 학생들에게 귀중한 기회를 제공했다. 세르비엔테(Serviente)는 "이 프로젝트를 통해 정말 훌륭한 학생들의 노력이 많이 이루어졌고 Epicore는 이러한 학생들을 지원하고 그들이 데이터의 일부를 탐색하고 소유권을 가질 수 있도록 돕는 데 놀라웠다."고 말한다.

레미 허쉬(Remi Hirsh)도 그러한 학생 중 한 명이다. 최근 자연과학대학 생물학과를 졸업한 그녀는 이 프로젝트의 일부 데이터를 사용하여 우등 논문을 작성하고 보스턴에서 열린 미국스포츠의학회 2024년 연차총회에서 발표했다.

그녀의 연구에 따르면 개인 보호 장비를 착용한 젊은 건강한 성인의 경우 환경의 상대 습도가 간헐적으로 중간 강도의 운동을 하는 동안 신체의 대사 활동, 온도, 심박수 또는 수분 손실에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 그녀는 습도 조건에 따라 피부 온도와 땀 구성에 차이가 있음을 보여 향후 조사 분야를 나타냈다.

부사는 "이 결과는 알고리즘 개발 및 테스트에 사용하기 위해 다양한 테스트 세션의 데이터를 결합할 수 있게 해 주었기 때문에 중요하다."라고 말했다. “또한 개인 보호 장비를 착용할 때 다양한 환경 상대 습도에서 운동에 대한 신체의 반응이 다를 수 있음을 시사한다. 이 장비는 통기성이 없고 자체 미세 환경을 생성하는 것처럼 보이기 때문이다. 이는 앞으로 테스트를 거쳐야 할 것”이라고 말했다.

이 협력은 매사추세츠 혁신 바우처 프로그램의 지원을 받았다.