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Revit, AutoCAD, Civil 3D를 포함하는 통합된 BIM 도구
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Inventor와 AutoCAD에 포함된 전문가용 CAD/CAM 도구
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3ds Max 및 Maya를 포함하는 엔터테인먼트 컨텐츠 제작 도구
원시 블랙홀과 떠돌이 행성에서부터 초신성과 반물질까지, 우주는 놀라운 현상들로 가득하다. 그러나 보통의 지구인에게 우주의 가장 매력적인 측면 중 하나는, 어쩌면 가장 신비롭지 않을 무중력일 것이다.
사실 중력은 우주에도 존재한다. 그러나 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 우주 비행사들은 그 영향력을 느끼지 못한다. 지구에서 멀어질수록 중력의 영향권으로부터 멀어지게 되는 것이다.
우주 비행사들이 공중제비를 돌며 떠다니는 음식을 입으로 잡는 이미지로 많은 우주 팬을 즐겁게 하는 국제 우주 정거장의 경우, 이 무중력 현상은 비행사들이 자유낙하를 하고 있다는 사실에 근거한다. 우주 정거장, 탑승자, 그 안에 있는 모든 물체가 같은 속도로 우주에서 지구를 향해 떨어지고 있어 마치 떠 있는 것처럼 보이는 것이다. 우주 정거장이 이동하는 빠른 속도로 인해 실제로 충돌하지 않고 행성 궤도를 도는 것이 가능하며, 이는 지구의 곡률과 정확하게 일치하는 곡선 경로를 제공한다.
생각해 보면, 무중력에 대한 집착은 좀 아이러니하다. 우주에 있는 물체는 지구의 물리학과 상관없이 존재하는 것처럼 보이지만, 기계 엔지니어들은 우주선을 설계할 때 실제로 질량이 가장 중요한 고려 사항 중 하나라는 것을 알고 있다.
뉴턴 엔지니어링 및 제품 개발(Newton | Engineering and Product Development)의 수석 기계 엔지니어인 알렉스 밀러(Alex Miller)는 "우주 비행 세계에서는 질량이 비용"이라고 말했다.
비용 대비 효율적인 발사, 연료 및 전력의 효율, 구조적 완전성을 위해 우주선과 그 구성 부품, 임무 수행에 필요한 모든 장비는 가벼워야 한다.
그러나 질량을 줄이는 것은 간단한 일이 아니다. 경량 우주선을 더 쉽고 빠르게 설계하기 위해 NASA 및 뉴턴과 같은 기업은 독특한 인공지능 기반 도구인 제너레이티브 디자인을 사용하고 있다.
제너레이티브 디자인은 물리학과 다양한 제조 인식 최적화 알고리즘을 기반으로 사용자가 지정한 문제 정의와 요건을 충족하는 여러 솔루션을 생성한다. 알고리즘이 수집하는 매개변수는 상세한 엔지니어링 요구사항이며, 알고리즘이 생산하는 제품은 NASA의 연구 엔지니어 라이언 맥클렐런드(Ryan McClelland)가 "진화한 구조물(evolved structures)"이라고 부르는 완성된 설계다.
맥클렐런드는 2023 년 NASA 와의 인터뷰에서 진화한 구조물에 대해 "다소 이질적이고 이상해 보이지만, 일단 기능을 보면 이해가 될 것"이라고 소개했다.
진화한 구조물은 "이질적이고 이상하다." AI에는 인간 엔지니어처럼 사물이 어떻게 보일지에 대한 정해진 개념이 없기 때문이다. 대신 알고리즘은 문제를 해결하면서 설계 요구사항을 충족하는 가장 효율적이고 효과적인 방법을 찾는다. 이를 위해 종종 인간이 사용할 수 없는 기하학을 사용하고, 대부분의 인간이 상상할 수 없는 유기적 형태를 생성한다.
"제너레이티브 디자인으로 생성한 구조물에서 가장 놀랐던 점은, 결과로 나온 설계가 대부분의 사람이 생각해 내지 못할 참신함을 가지고 있고, 일단 솔루션을 보면 직관적으로 이해된다는 면에서 명백하다는 것"이라고 맥클렐런드는 말했다..
제너레이티브 디자인 프로세스는 간단하고 빠르다. 첫째, 인간 엔지니어는 완성된 구조물이 견뎌야 하는 하중, 우주에서 노출되는 힘의 유형 같은 기술적 요구사항을 지정한다. 그런 다음 소프트웨어에 요구사항을 입력하면 몇 시간 만에 최대 40번의 설계 반복을 내놓게 할 수 있다.
맥클렐런드는 NASA의 팟캐스트 Small Steps, Giant Leaps(스몰 스텝스, 자이언트 립스)의 한 에피소드에서 "사용자가 시스템에 요구사항을 입력하면 AI가 설계를 만들어 낸 다음, 유한 요소 분석으로 설계를 테스트하여 작동하는지 확인하고 요구사항을 검증한다"며 "그리고 나서 제작 시뮬레이션도 수행하여 제작이 가능한지 확인한다"도 설명했다.
맥클렐런드는 인간은 설계를 한 번 반복하는데 일주일이 걸리지만, AI는 이를 몇 분 만에 수행할 수 있다고 강조했다. 그는 "더 많은 반복 주기를 얻게 되며 더 많은 반복 주기는 이 진화한 구조물 프로세스를 통해 더 많은 최적의 설계를 훨씬 빨리 얻게 한다"고 덧붙였다.
속도가 큰 장점이지만 유일한 이점은 아니다. 품질도 향상된다.
맥클렐런드는 “우리는 이것이 실제로 위험을 낮춘다는 것을 알게 됐다”며 “알고리즘으로 생성된 부품에는 인간이 설계했을 때 나오는 응력집중이 없다는 것을 발견했다. 응력 요인이 인간 전문가가 만든 부품보다 거의 10배가 낮게 나온다”고 말했다.
비용도 문제다. NASA의 맞춤형 디자인 비용이 높다는 것은 잘 알려진 사실이다. “NASA 구조물에 드는 비용의 주원인은 제조보다는 비반복적인 엔지니어링”이라며 “자동차나 자전거 회사와 달리 NASA는 언제나 수천 개의 고유 부품을 개발한다. 허블(Hubble)이나 웹(Webb)은 단 하나뿐이므로, 이 기술은 우리에게 특히 중요하다”고 말했다.
마지막으로 질량이라는 중요한 문제가 있다. 맥클렐런드에 따르면 진화한 구조물은 기존 구성 부품에 비해 무게를 최대 3분의 2까지 줄일 수 있다. 그는 _Small Steps, Giant Leaps_에서, “성능이 거의 3배 정도 더 좋다”며. “여기서 성능이란 실제 무게 대비 강성 비율을 말한다. 구조물은 매우 단단하고 가벼우며, 또한 인간이 설계한 구조물보다 훨씬 더 강하다”고 말했다.
좋은 성능은 과학적, 사업적 측면뿐 아니라 인력 측면에서도 유리할 수 있다. 맥클렐런드는 “인적 관점에서 볼 때 구조 분석가는 항상 부족하다”며 "견실하고 강력한 설계를 신속하게 생성하면 나중에 반복할 필요성을 줄여서 구조 분석 전문가의 부담을 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 본다"고 말했다.
최적의 우주선 엔지니어링을 위한 제너레이티브 디자인의 잠재력을 구현하는 NASA의 두 가지 임무는 외계행성 기후 적외선 망원경(EXoplanet Climate Infrared Telescope, EXCITE)과 화성 표본 반환 임무(Mars Sample Return Mission)다.
이르면 2023년 가을에 발사될 것으로 예상되는 외계행성 기후 적외선 망원경은 멀리 있는 별을 공전하는 따뜻한 외계 행성을 연구할 기구 운반 망원경이다. SUV 크기인 이 장치는 제너레이티브 디자인의 요소를 최소한 두 가지 가지고 있다. 망원경 뒷면을 지지하는 티타늄 비계, 그리고 행성이 호스트 별을 공전하는 동안 지속적으로 이를 관찰하는 자외선 화상 분광계의 광학 부품을 고정하는 ‘광학 벤치’다.
맥클렐런드는 건축 및 디자인 잡지 디진(Dezeen)에서 “현재 적용된 기능 중에서 광학 벤치가 아마도 가장 인상적일 것”이라며 “일반적인 광학 벤치와는 근본적으로 다르며 구조적 성능이 훨씬 뛰어나다. 또한 10개 정도가 될 부품을 하나의 부품으로 통합했다”고 말했다.
화성 표본 반환 임무는 일련의 운송 수단을 이용하여 화성에 과거 생명체가 존재한 증거가 있을 수 있는 암석 표본을 수집하고, 궁극적으로 암석을 지구로 가져오는 임무다. 2027년에 시작될 예정인 이 임무를 위해 뉴턴은 캡처 리드 메커니즘(Capture Lid Mechanism)이라는 중요한 구성 부품의 제너레이티브 디자인에 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)을 사용했다.
임무의 일환으로 화성 탐사선 퍼서비어런스(Mars Perseverance)는 현재 화성 표면에서 표본을 수집하여 금속 튜브에 넣고 있다. 탐사선은 튜브를 표본 회수 착륙선(Sample Retrieval Lander)으로 운반하게 되는데, ESA가 제공한 로봇 팔이 튜브를 착륙선의 로켓에 넣는다. 그런 다음 내부에 들어 있는 샘플과 함께 화성 궤도로 자체적으로 발사된다. 그곳에서 또 다른 우주선, 즉 표본을 받아 살균하고 지구로 전달하기 위한 최종 우주선에 보관하는 임무를 맡은 궤도선과 만날 것이다.
이때 캡처 리드 메커니즘이 등장한다. 표본은 로켓에서 궤도선의 포획, 격리 및 귀환 시스템(Capture, Containment, and Return System)으로 ‘던져지고’ 즉시 닫아야 하는 뚜껑이 있는 컨테이너에 보관된다. Fusion 360 의 제너레이티브 디자인 덕분에 뚜껑은 사람이 만든 설계에 비해 30% 더 가볍다.
밀러는 "샘플이 붕 떠서 들어오면 튀어나오는 것을 방지하고 오염을 막기 위해 뚜껑을 아주 빨리 닫아야 한다"며 “이렇게 하려면 매우 가볍고 튼튼한 문이 필요한데, 바로 이 부분에서 Fusion 360의 제너레이티브 디자인이 도움이 됐다”고 말했다.
기회는 분명하다. 더 저렴하고 가벼우면서 성능이 뛰어난 부품을 사용하면 우주선이 우주로 더 멀리, 더 오래 갈 수 있으며 더 복잡하고 중요한 임무를 수행할 수 있다.
그러나 제너레이티브 디자인이 즉각적으로 성공을 보장하는 것은 아니다. 조직이 맞서 싸워야 하는 실질적인 장애물이 존재한다.
맥클렐런드에 따르면 가장 일반적인 장애물 중 하나가 바로 인식이다. 그는 이해관계자들이 AI가 만드는 생소한 설계를 보고 실제로 제작할 수 없다고 생각한다고 말했다. 하지만 적층 제조, 절삭 CNC 밀링 또는 적층 제조와 절삭 기법을 모두 결합한 하이브리드 제조를 사용하여 많은 제너레이티브 디자인을 쉽고 저렴하게 제작할 수 있다.
맥클렐런드는 Small Steps, Giant Leaps에서 "사람들은 이 이상한 모양의 유기적 구조물을 보고 표준 재료와 일반적인 CNC 공정으로 가공할 수 없다고 생각한다"며 "CNC 가공은 실제로 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 발전했고, 현재는 5축 CNC 가공으로 상상할 수 있는 거의 모든 것을 만들 수 있다"고 말했다.
맥클렐런드에 따르면 소프트웨어적인 한계도 존재한다. 그는 현재 도구로는 열 매개변수를 처리할 수 없지만 기술이 발전함에 따라 상황도 바뀔 것이라고 예상했다. 맥클렐런드는 “NASA에서는 열과 구조 설계 문제가 서로 연관된 경우가 많다”며 “미래에는 제너레이티브 디자인이 구조적 강성 요구 사항을 충족하면서도 열 전도성을 제한하는 등 구조 및 열적 요건을 모두 고려할 수 있기를 바란다"고 말했다.
밀러에 의하면 현재로서는 한 가지 분명한 사실이 있다. 제너레이티브 디자인은 계속 유지되리라는 것이다. 밀러는 “인류는 AI 시대의 여명을 맞이하고 있으며, 모든 엔지니어링 팀은 미래에 경쟁력을 유지하기 위해 제너레이티브 디자인을 필수적으로 사용해야 한다고 생각한다”며 “이는 고객에게 최적의 솔루션을 제공하고 성공을 보장한다는 우리의 사명에 매우 중요한 도구"라고 말했다.
맷 앨더튼(Matt Alderton)은 시카고에 거주하는 프리랜서 작가다. 주로 비즈니스, 디자인, 식품, 여행, 기술 관련 글을 기고하고 있다. 그가 지금까지 다룬 주제는 비니 베이비(Beanie Babies)와 메가 브릿지부터 로봇과 치킨 샌드위치에 이르기까지 매우 다양하다. 노스웨스턴 대학교 (Northwestern University) 메딜 (Medill) 저널리즘 스쿨을 졸업했으며, 작가 관련 자세한 사항은 작가의 웹사이트 MattAlderton.com에서 확인 가능하다.
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