인공지능형 제너러티브 디자인과 3D 프린팅을 활용한 의료보조기 디자인 연구

Abstract

인공지능과 3D 프린팅과 같은 기술의 발전으로 대기업과 공장 체제의 대량생산에서 소비자 주문생산방식의 다품종 소량생산을 거쳐 점차 개인화 제조, 다품종 대량 맞춤 생산이 확산되고 있다. 미국 실리콘밸리 중심으로 확산된 메이커스 무브먼트(Maker’s movement)는 직접 만드는 행위를 통해 개인 맞춤화된 제품에 대한 사람들의 욕구를 실현하고자 하는 사회 흐름을 보여준다. 이처럼 기술의 발전과 개성을 중시하는 사회적 인식으로 개인의 고유한 개성을 반영한 제품을 제작하는 것에 대한 필요성이 대두되고 맞춤형 제품에 대한 수요가 늘어나고 있다. 더 나아가 개인 맞춤형 제작은 필수적인 수요를 공급하는데 최적화되어 잉여 생산물에 대한 환경적 부담을 줄여준다. 이러한 관점에서 강도, 무게 등 물리적 요소를 고려하여 가장 최적화된 형상으로 계산하는 위상 최적설계(Topology optimization)을 기반으로 한 제너러티브 디자인(Generative design)은 기존 프로세스에 비해 효율적인 작업이 가능하다. 출력된 결과물이 비정형적인 형태로 산출되어 적층 제조에 용이한 3D 프린팅 기술과 결합하여 개인 맞춤형 생산에 유용하며 다품종 소량생산에 적합하다. 본 연구에서는 새로운 기술과 개인 맞춤화를 추구하는 시대적 양상에서 산업디자이너와 설계자의 협업이 가능하여 기존 디자인 프로세스에 비해 효율적이며 예측할 수 없는 비정형적 형태를 창출하여 디자이너의 탐구심을 발현시키는 인공지능형 제너러티브 디자인(Generative design)에 대해 고찰하고, 3D 프린터를 활용해 실제 제품을 제작하는 프로세스를 적용하여 제너러티브 디자인 프로세스의 가치를 탐색하였다. 제품을 제작하기 위한 디자인 소프트웨어로 Autodesk사의 Fusion360에 포함된 Generative design을 활용하였으며, 신체를 보조하는 도구로써 사용자 맞춤 제품에 적합한 목발을 선정하여 디자인하였다. 제너러티브 디자인 프로세스를 실제 적용하기 위해, 첫 번째로, 제너러티브 디자인의 정의와 실제 사용하는 분야, 관련 소프트웨어의 발전 양상을 문헌을 통해 고찰하였다. 또한, 기존 디자인 프로세스와 비교하여 제작 시간 단축, 수 많은 산출물, 디자이너와 설계자의 원활한 협업, 물리적 특성을 고려한 최적화된 결과값 등 제너러티브 디자인의 효율성에 대해 도출하였다. 두 번째로, 사용자 특성을 고려한 목발을 디자인하기 위해 사회적 배경 및 사용자 신체 특성, 보행 방식, 사용시 니즈를 선행 연구 조사를 통하여 분석한 5개 항목의 맞춤형 목발 디자인을 위한 가이드라인을 제시하였다. 세 번째로, 제시된 가이드를 기반으로 3D 스캐닝, 제너러티브 디자인, 3D 프린팅으로 이루어진 맞춤형 목발 디자인 프로세스를 진행하고 과정을 정리하였다. 본 연구를 통해 산업디자인에서 인공지능을 활용하여 사용자 맞춤에 최적화된 제품을 디자인하는 방안을 살펴보았으며, 최적화된 기능과 디자인을 자동으로 산출하는 인공지능형 제너러티브 디자인이 앞으로도 심화된 연구로 발전하여 산업체에 다양하고 유용하게 활용될 것을 기대한다.;With the development of technologies such as artificial intelligence and 3D printing, the mass production of large businesses and factories is gradually expanding from large-scale production of large-scale products to small-volume production of consumer order production methods. The "Maker's Movement," which spread around Silicon Valley in the U.S., shows the social trend of trying to realize people's desire for personalized products through the act of making them themselves. With the development of technology and social awareness focusing on individuality, the need for producing products that reflect a person's unique personality has emerged and demand for customized products is increasing. Furthermore, personalized production is optimized for supplying essential demand, reducing the environmental burden on surplus products. From this perspective, Genetic Design based on topology optimization, which is calculated by considering physical factors such as strength and weight, is more efficient than existing processes, and the output is produced in an unstructured form, which is useful for personal custom production and is suitable for multi-product production by combining it with 3D printing technology that is easy for additive manufacturing. In this study, we explored the value of the Genetic Design process by considering the artificial intelligence-driven generative design process in which collaboration between industrial designers and designers is possible in the context of new technology and personalization, creating an efficient and unpredictable, unstructured form compared to the existing design process, and applying a process to produce actual products using 3D printers. General design included in Autodesk's Fusion360 was used as design software to manufacture products, and crutches suitable for custom products were selected and designed as a tool to assist the body. In order to apply the Genetic Design Process in practice, the definition of Genetic Design, the field of actual use, and the evolution of the relevant software were reviewed in the literature. In addition, the efficiency of the generative design was derived, including reduced time of manufacture, numerous outputs, smooth collaboration between designers and designers, and optimized results considering physical characteristics, compared with the existing design process. Second, to design crutches that take into account user characteristics, the social background and user physical characteristics, walking style, and the need for use were analyzed through prior research. Third, based on the guide presented, we conducted a custom crutches design process with 3D scanning, Genetic design, and 3D printing and organized the process. Through this study, we looked at ways to design products optimized for user-tailored design by utilizing artificial intelligence in industrial design. We hope that artificial intelligence-driven generative design, which automatically calculates optimized functions and designs, will develop into advanced research in the future, which will be used in various and useful.