인공 비복근 3D 인쇄 제작과정에 투입된 Artec의 Eva 스캐너

의료공학팀이 맞춤형 인공 비복근 프로토타입 제작을 위해 Artec Eva를 사용하여 소녀의 다리를 3D 모델로 제작합니다

비복근의 맞춤형 보철물을 디자인하는 것은 보이는 것보다 어렵습니다. 이 프로토타입 개발에 사용된 프로세스 흐름 및 기술 도구에 대해 알아보십시오. 러시아 소녀 올가(Olga)는 러시아의 산업용 3D 인쇄 회사인 캔터치(CanTouch)에 특별한 부탁을 담은 편지를 보냈습니다. 올가는 익스트림 스포츠인 스카이다이빙에 빠져 있었는데, 지난 스카이다이빙 점프 때 오른쪽 다리의 종아리 근육에 부상을 입었습니다. 부상으로 인해 근육 조직의 대부분을 잃게 되어 다리의 모양이 다른 쪽 다리와 눈에 띄게 달랐기 때문에 다리의 외형적 모습에 콤플렉스를 가지게 되었습니다. 그래서 올가는 자신의 다리에 맞게 제작된 인공 비복근(종아리 근육)을 가지고 싶었다고 합니다.

인공 비복근 디자인

캔터치는 올가에게 답장을 보내고는 종아리 보형제품에 필요한 사항을 의논하기 위해 그녀와 만나기로 했습니다. 캔터치와 올가는 다음과 같은 단계로 계획을 세웠습니다.

• 3D 스캐너로 양 다리를 스캔
• 디지털 3D 모델 제작
• 3D 프린터로 인쇄
• 인공 비복근 시험착용

다리 스캔

먼저 두 다리를 모두 스캔하는 과정이 필요했는데, 제작팀은 이 과정에서 스캔이 편리한 Artec의 Eva 제품을 사용했습니다. 실제로 스캐너의 케이스를 디자인한 의료공학 전문가 알렉산더 고로뎃스키(Alexander Gorodetsky)가 스캔을 실시했습니다. 고도로 정확한 스캔이 필요했기에 제작팀은 매우 신중하게 작업했습니다.

Eva 제품은 별도의 측정 과정도, 대상물에 표시할 필요도 없기 때문에 매우 손쉽게 사용할 수 있습니다. 초당 최대 16 프레임으로 스캔되어 실시간으로 자동 결합됩니다. 따라서 스캔 결과물을 보면 인식된 스캔대상을 정확하게 확인할 수 있으며 어떤 부분이 보완이 필요한지 바로 알 수 있습니다.

초당 최대 2,000,000 포인트의 속도로 인식하는 동시에 프로세싱을 실행하기 때문에 Eva는 최대 0.5mm의 고해상도와 최대 0.1mm의 정확도를 제공하여 신체의 일부분을 스캔하기 위한 최적의 스캔 솔루션입니다.​

디지털 3D 모델 제작

이 단계야말로 가장 어렵고 시간이 많이 드는 부분이었습니다. 이 일은 경험 많은 3D 모델 제작 전문가인 발레리 카라오글라냔(Valery Karaoglanyan)이 맡았습니다. 그는 원래의 다리와 부상당한 다리로부터 생성된 두 세트의 포인트 클라우드 또는 점군(点群)을 이용하여 올가의 요청에 따라 미용 인공 비복근의 디지털 3D 모델을 디자인하는 임무를 맡았습니다. 기존에 제작된 솔루션도 전무했기에 모든 과정을 처음부터 차근차근 시작했습니다.

먼저 솔리드웍스(SolidWorks) 프로그램을 사용하여 입체 형태의 3D 모델을 만들어야 했습니다. 디지털 3D 모델이 완성되면 원래의 다리 모델을 부상당한 다리 모델에 반영시켜서 겹치는 부분 중 부상당한 다리 부분을 제외시켰고, 피부가 숨쉴 수 있도록 어느 정도 여유 간격을 두도록 했습니다.

기존에는 안쪽과 바깥쪽 표면을 메쉬(망)의 질감으로 제작하려고 계획했으나 올가는 바깥쪽 부분을 매끄러운 평면으로 만들어달라고 요청했습니다.

메쉬 질감의 표면을 만들기 위해 3D 디자이너들은 여러 프로그램을 돌아가며 사용해야 했습니다. 먼저 ZBrush 프로그램으로 불러오기하여 UV 맵(UV Map)과 그리드(격자무늬) 모듈을 생성했습니다. 그리드 파일을 포토샵 맵에 불러온 후, 해당 3D 파일을 다시 ZBrush로 보냅니다. 이 단계에서 디자인팀은 완성될 인공 비복근의 두께를 설정하는 데 어려움을 겪었습니다. ZBrush 프로그램에는 두께 설정 기능이 없었기에 3DS Max를 사용해야 했습니다.

디자인팀은 또한 SolidWorks를 사용해서 몇 개의 3D 모델을 추가적으로 만들었습니다. 이렇게 완성된 3D 모델들을 인공 비복근의 메인 3D 모델과 결합시켰습니다.

[두꺼운 부분에는 뿔 모양의 접합부분이 필요합니다. 두세 개 정도면 적당하죠. 이러한 접합부분을 통해 각 부분을 제 자리에 위치시켜서 서로 해체되는 걸 방지할 수 있습니다.]

[얇은 부분은 이런 식으로 구성됩니다.]

그가 가진 모든 능력과 독창성을 발휘하여 기초 단계부터 3D 모델을 제작하는 알고리즘을 만들어냈습니다. 그 결과, 제작팀은 3D 인쇄에 적합한 3D 모델을 완벽하게 완성시킬 수 있었습니다.

3D 프린터로 인쇄

인공 부복근 제작의 마지막 단계는 3D 인쇄과정입니다. 제작팀은 폴리아미드 재질의 흰색 플라스틱인 PA2200을 사용했습니다. 내구성이 좋고 무게도 가볍기 때문에 자주 착용하게 될 미용 보조기구에 완벽한 재료라고 할 수 있습니다. 3D 인쇄에 사용된 기술은 선택적 레이저 소결(SLS: Selective Laser Sintering)인데, 레이저를 사용해서 분말로 된 재료를 정해진 부분에 소결하는 기술입니다.

인공 비복근 시험착용

인공 비복근을 착용해보니 첫 시도이기에 장점과 더불어 단점 역시 드러나게 되었습니다. 제작된 인공 비복근은 다리에 완벽하게 들어맞았습니다. 그러나 다리에서 땀이 나기도 하고 재료의 표면은 다소 거칠었기 때문에 피부와 제품 사이에 부드러운 자재를 사용할 필요가 있었습니다. 인공 비복근의 바깥 쪽 부분이 원래 계획대로 메쉬 재질로 되어있었다면 통풍 문제도 해결되어 다리가 숨을 쉴 수도 있었을 겁니다.

올가 양은 예상보다 높은 완성도의 인공 비복근을 마음에 들어 했습니다. 그러나 다양한 상황에서 테스트해 보려면 어느 정도 시간이 필요할 것 같습니다.

미용 목적 보조기구 제작은 캔터치에게도 최초로 시도해보는 과제였습니다. 제작 과정에서 몇 가지 실수도 있었으며 몇 차례에 걸쳐 특정 과정들을 반복하기도 했고 불필요한 작업을 하기도 했습니다. 그럼에도 불구하고 이번 시도를 통해 전문가용 하드웨어와 소프트웨어가 엔지니어링 능력과 결합하면 인공 비복근은 물론 소형 조각상, 로켓 엔진 등 무한한 종류의 고급 결과물로 재탄생할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었습니다.