4D프린팅의 등장

3D프린팅이 등장해 세상을 놀라게 한 지도 얼마 되지 않았는데, 이제는 4D프린팅이다. 2013년 미국 MIT 자가조립연구소의 한 교수가 강연을 통해 처음 언급한 4D프린팅은, 현재 전 세계가 주목하는 미래 기술이다. 4D프린팅이란 온도, 습도 등의 외부 자극에 의해 물성이 달라질 3차원 구조체의 프린팅을 의미한다. 한마디로 3D프린팅은 출력되어 나온 형상이 그대로 유지되는 반면, 4D프린팅은 외부자극에 따라 미리 설계된 구조체로 형상이 변한다는 것이다.

때문에 4D프린팅은 자가조립 소재, 로보틱 소재 등 고기능성 스마트 소재를 이용한다는 점과 변형과정을 예측할 수 있는 설계 기술이 필요하다는 점을 특징으로 가진다.

현재로선 스마트 소재의 발굴 및 변형 과정을 예측할 수 있는 설계 기술, 그리고 이를 프린팅 할 수 있는 4D프린터의 개발 등 주요 기술들의 발전이 요구되지만, 앞으로의 무한한 잠재성을 가지고 있다고 볼수있다.

13-1

Stratasys의, 오토 데스크와 MIT의 자기 조립 (self-assembly) 연구소 사이의 협력을 통해, 새로운 프로세스를 개발, 신속한 프로토 타입의 급진적 인 변화를 보여줍니다.

“transform from one shape to another”

13-2
4D Printing: Self-Folding Strand into “MIT“
“MIT”라는 문구가 자동으로 생성

미국 MIT대학의 Skyler Tibbits – 자가조립과 4D프린팅

13-2-1 스카일러 티빗 (Skylar Tibbit): “4D 프린팅”이라는 용어를 만든 사람이며, 현재 MIT대 학교 자가조립연구소(Self-Assembly Lab)을 이끌고 있다.

편향(Biased Chain)과 스스 로 접는 막대, 자가변형 파이프 등의 다양한 적용 사례와 함께 최근에는 목재나 고무 등의 다 양한 재료를 이용해서 자가 조립 및 변형이 가능한 물건을 제작하려고 하고 있다.

이를 위해 Stratasys와 Autodesk, Carbitex, Geosyntec 등의 다양한 민간업체와 공동작업을 진행하 고 있다. 건축학과 컴퓨터 공학 석사학위를 소지하고 있다

MIT 연구원인 Skylar Tibbits는 스스로 조립되는 것들에 대한 연구를 합니다.  무언가를 짓는 대신에 (의자, 고층 건물들) 우리가 스스로 자기 자신을 만들 수 있는 물건을 만들 수 있다는 아이디어이지요. 마치 DNA가 스스로 만들어지는 원리처럼 말이지요. 초반에는 상상도 못했을 만한 아이디어지요; Tibbits는 ‘스스로 조합되는’ 우리의 미래의 모습을 보여줄 만한 세 가지 연구실 프로젝트들을 선보입니다.

13-2-2

2013년 4월에 미국 MIT 대학의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수가 “자가조립과 4D 프린팅”을 제목으로 하는 TED 동영상이 대중으로부터 많은 인기를 얻으면서 본격적으로 회자되기 시작했다. 이 용어는 3D 프린팅에 시간 개념을 추가해서 시간에 따라 스스로 모양을 바꾸는 물건을 제작하는 기술이라는 의미에서 만들어졌다

3D 프린팅 기술은 1970년대 후반부터 정교하게 발달해 왔다.  TED펠로우 스카일러 티빗츠(Skylar Tibbits)는 그 다음 단계이자 4차원을 개입시키는 4D프린팅 기술을 만들어내고 있다. 이 새로운 기술은 스스로 시간에 따라 모양을 바꾸거나 자기 결합하는 물질들을 만들어낸다. 스스로 접히는 네모 상자, 물의 수요에 따라 스스로 확장하고 축소하는 배수관을 상상해 보자.

자가조립혁명 (Self-Assembly Revolution)

13-3-2

자가 조립을 인간 실생활에서 구현하기 위해서는 첫째, 에너지원과 밀접하게 묶인 물질과 기하학, 둘째 열,요동, 기력학, 중력, 자력등과 같은 비활성에너지 셋째 오류를 수정하고 물질의 모양이 다른 상태로 바뀔수 있게 해주는 매우 스마트하게 고안된 상호작용이 연구됨

고기능성 스마트소재 와 변형과정 설계기술의 만남

4D 프린팅은 기본적으로 프로그래밍 기반의 제조 시스템이기 때문에 자가변형 재료의 무한 재활용을 가능하게 할 수 있을 것으로 기대된다.
그리고, 물질을 프로그래밍할 수 있게 되면 물체를 쉽게 업로드하고 다운로드해서 결국 물 체를 텔레포팅(teleporting)의 길을 여는데 일조할 것이다.
13-4-1

4D프린팅 – Year of Impact

13-5-1

4D프린팅기술은 전자산업, 산업, 자동차, 우주,건강, 소비재품등 여러분야에 실질적으로 사용되어질것이며 이를 위한 인프라가 더욱더 성숙해질것이다. 특히 2017년이후로 패션분야. 건축분야, 생물학, 인공조직등 우리 생활에 밀접한 부분부터 일상생활로 들어올듯 하다.

13-5-2

KISTI(한국과학기술정보연구원) 10대 미래 유망기술- 4D프린팅

최근 ICT 분야의 핫이슈(hot issue)인 사물인터넷(IoT: Internet of Things)가 궁극적으로 는 물리적 현실세계(physical or reeal world)와 디지털 가상세계(digital virtual world)가 하나로 연결되는 방향으로 진화하듯이, 4D 프린팅의 발전은 프로그래밍 코드에 의한 물질의 통제를 강화할 것이고 이로 인해 하드웨어와 소프트웨어의 경계가 점차 더 모호해지는데 일 조할 것으로 기대된다.
또, 4D 프린팅은 기본적으로 프로그래밍 기반의 제조 시스템이기 때문에 자가변형 재료의 무한 재활용을 가능하게 할 수 있을 것으로 기대된다
13-6-1

연구동향- 미국 버지니아공과대학교이 자가변형 인공손가락 관절

2011년에 미국 버지니아공과대학교(Virginia Tech) 기계공학과 적층제조시스템을 위 한 디자인 및 연구, 교육 연구실(Design, Research, and Education for Additive Manufacturing Systems Lab)의 크리스토퍼 윌리엄스(Christopher B. Williams) 교수 연 구진은 자가변형 인공손가락관절을 선보였다.
아래 그림에서 보는 바와 같이, 인공손가락을 컴퓨터설계(CAD)로 설계하고 3D 프린터로 제작한 후에 관절에 의하 손가락이 구부러지게 한다.
13-7-1

연구동향-MIT자가조립 연구소의 자가변형 파이프

스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수는 보스톤(Boston)의 토목 컨설팅 및 엔지니어링 기 업인 지오신텍(Geosyntec)의 마르쿠스 퀴글리(Marcus Quigley)과 공동으로 나노기술을 이용해서 조건에 따라 외형이 변화하는 파이프를 개발하고 있다

4D프린팅 기술을 건조환경(built envirionment, 建造環境)에 응용하기 위해 MIT는 자가조립연구소를 개성하였으며, 건조환경을 위한 물질개발에 전념중에 있다. 티비츠는 매우 단기간 내에 4D프린팅 기술을 응용할수 있는 몇몇 주요한 분야가 존재하며 그중하나는 극한환경에 적용하는것, 다시말해 우리의 현재 건축기술이 작동하지 않은 환경, 즉 너무 방대하거나 , 너무 위험하거나, 너무 비용이 많이 들거나 , 너무 많은 부품이 요구하는 환경에 적용하는것을 목표로 하고있다.
13-8-2

연구동향-다양한 재료이용한 자가조립(MIT)

2014년 10월에 미국 MIT대학교 자가조립연구소(Self-Assembly Lab)는 3D 프린터를 이용 해서 자가조립이 가능한 탄소섬유(carbon fiber)와 목재, 고무 등을 개발했다고 발표했다.
MIT대학교의 스카일락 티빗 교수는 탄소섬유 제조업체인 Carbitex와 함께 자기변형 탄소섬유를 개발하고 있다.
13-9-1

연구동향-형상기억 폴리머를 내장한 자가변형 물체

2013년 10월에 미국 공군 과학연구국(US Air Force Office of Scientific Research)과 연 구재단(NSF)로부터 자금을 지원받은 콜로라도대학교 제리 퀴(H. Jerry Qi) 교수 연구팀과 싱가폴 기술디자인대학교(Singapore University of Technology and Design)의 마틴 듄 (Martin L. Dunn) 교수는 3D 프린팅용 재료에 형상기억 폴리머를 혼합한 재료를 이용하여 일상조건에서도 자가변형이 가능한 물체를 제작하는데 성공했다.
위의 그림에서 짙은 색으로 된 부분이 형상기억 폴리머가 첨가된 부분인데, 특정 조건이 되 면 형상기억 폴리머 부분에 변형이 생겨서 비행기 모양으로 변화된다.
13-10-1

적용사례-4D-프린팅기술을 사용해 만든 드레스(뉴욕현대미술관)

13-11-1
뉴옥현대미술관(MoMA)에서 자동적으로 모양을 바꾸는 “4D-프린팅” 기술을 사용해서 만든 첫번째 드레스와 이것을 만드는데 사용한 기술을 미술관의 소장품 목록에 추가했다.

13-11-2
신경계란 의미의 디자인 스튜디오인 Nervous Systems의 키네미넥스(Kinematics) 프로젝트에서는 패턴을 이루는 부품과 이것들을 서로 맞물리게 연결하는 부품을 3D로 프린트해서 복잡하고 조절이 가능한 옷을 만들어낸다.

관련 동영상 : https://vimeo.com/113517093