[청색기술의 힘] 미래의 비행기, 점균류 곰팡이와 인체 뼈로 기체 설계한다

예전에 미항공우주국(NASA)의 자문역을 담당하던 한 인물은 엉뚱한 생각으로 경찰의 총격을 받고 또 외계인으로 오해 받기도 했다. 그는 두뇌가 없는 단세포 생물인 점균류 곰팡이가 어두운 우주를 여행하며, 지능을 갖고 인간을 뛰어넘는 경이로운 능력을 지니고 있다고 믿었기 때문이다.

아무튼 그 당시 인체 뼈와 점균류가 디자인 분야를 주도할 것이라고는 아무도 예상하지 못했을 것이다. 물론 10억 달러짜리도 아니다. 하지만 이 기이한 듀오(인체 뼈와 점균류)는 디자인 테이블에 앉았고, 그 결과물은 모든 디자인 팀이 왜 처음부터 이들과 상의하지 않았는지 궁금하게 만들었다.

이미 항공·우주의 배출량을 줄이기 위한 효과적인 혁신은 지속가능성 논의에서 끊임없이 등장하는 주제다. 2023년은 역대 가장 더운 해로 기록되었고 2042년까지 운항 중인 상용 항공기 수가 두 배(최대 48,600대)로 증가할 것으로 예상되는 상황에서 전기 항공 택시와 친환경 연료 이상의 대담한 솔루션이 필요하다.

이제 점균류, 인체 뼈, 생성형 디자인, 개선된 소재, 3D 프린팅 등 인상적인 연구진의 도움으로 더 나은 항공기를 위한 예상치 못한 솔루션이 실험실을 벗어나 하늘에 존재할 뿐만 아니라 현실화되고 있다.

에어버스 항공기의 칸막이 프레임에 적용된 AI 알고리즘은 점균류 곰팡이의 성장 패턴에 기반하여 부분적으로 고효율로 인한 성장 패턴과 응력 지점에서의 가볍고 밀도가 높은 뼈를 기반으로 개발됐다. [이미지=Nik Arthur]

전문가들이 점균류와 인체 뼈에 주목하는 이유는 자연에 기반한 청색기술 알고리즘이 기존 방식으로는 불가능한 디자인을 구현할 수 있기 때문이다. 점균류의 알고리즘은 불필요한 재료를 제거하고, 뼈는 강도가 필요하지 않은 곳의 무게를 덜어준다.

뿐만 아니라 생성형 디자인, 인공지능(AI) 및 3D 프린팅과 결합하면 전체적인 디자인 및 생산 프로세스가 근본적으로 변화하게 된다. 생성형 AI 분야는 아직 초기 단계이고 그 의미는 아직 밝혀지지 않았지만, 바이오에서 영감을 얻은 청색기술의 생성형 디자인을 사용하면 10가지 디자인 옵션이 수만 가지의 디자인 옵션이 되고, 인간의 단일한 아이디어가 수억 년의 경험을 가진 검증된 프로의 지원을 받는 공동 협업이 될 수 있음은 자명하다.

항공우주 분야에서 이 기술의 잠재력을 탐구하기 위해 에어버스(Airbus), 오토데스크(AutoDesk), 더 리빙(The Living), 오토데스크 스튜디오, AP웍스(APWorks)가 참여한 협업에서 점균류 곰팡이와 인체 뼈를 혼합했다. 그들은 기내 파티션(cabin partition)부터 시작했다. 비행기의 핵심 부품의 고성능, 경량(탄소 감소, 연료 절감) 설계를 보여주는 강력한 개념이 입증되면 항공기의 다른 부분으로도 확장할 수 있다. 최종 디자인은 현재 '바이오닉 파티션(Bionic Partition)'으로 알려져 있다. 설계 결과는 다음과 같다.

ㆍ기존 에어버스 디자인보다 45% 가벼워진 객실 파티션(65kg에서 30kg).
ㆍ3D 프린팅으로 원자재 사용량 95% 감소시켜 비용, 재료, 배기가스 배출량 절감
ㆍ경량화로 효율성 급증 - 1kg 감소할 때마다 제트연료 105kg(약 35갤런) 감소
ㆍ세계에서 가장 큰 금속 3D 프린팅 가공 비행기 객실 부품인 바이오닉 파티션 제작

필자처럼 생성형 디자인에 익숙하지 않은 분들을 위해 설명하자면, 생성형 디자인은 기존 데이터를 기반으로 새로운 콘텐츠를 만드는 반복적이고 탐색적인 디자인 과정이다. 디자이너와 엔지니어는 프로젝트의 주요 목표와 디자인 제약 조건을 고려하고 피드백에 따라 조정 및 발전할 수 있는 디자인 결과를 생성하는 소프트웨어 기술을 사용한다.

바이오에서 영감을 얻은 청색기술의 생성형 디자인에서 디자인 및 생산 솔루션은 자연의 정교한 알고리즘과 시스템에 기반을 두고 있다. 이 과정을 스테로이드에 의한 '적자생존'이라고 생각하면 된다. 38억 년 역사의 연구개발이 인간의 독창성 및 AI와 융합하여 혁신의 원동력이 되고 있다. 생물모방의 정신적 요소를 구현할 때, 생물종(種)의 생존 비결은 유기체에 국한되지 않는다. 이는 우리 모두에게 이익이 된다. 특히 항공우주와 같은 주요 첨단 산업처럼 지구에 미치는 부정적인 영향을 최소화할 수 있는 혁신의 경우 더욱 그렇다

바이오닉 파티션을 만들 때 디자이너는 점균류와 뼈의 로직을 모델링하는 알고리즘과 주요 정보(디자인 목표, 재료 선호도, 공간 요구 사항, 비용 제한, 공기 흐름)를 입력한다. 이 기술은 이 모든 것을 고려하여 사람이 직접 생각해낼 수 없는 수천 개의 설계 최적화를 빠르게 계산한 다음 평가하고 미세 조정한다. 이 도구는 실시간 데이터에 빠르게 적응하여 실물을 제작하지 않고도 성공적인 것과 그렇지 않은 것을 테스트하고 조정할 수 있다. 그런 다음 이들은 선택한 디자인을 적층 가공을 통해 인쇄했다.

이처럼 자연의 실험실에는 우리 시대의 가장 중요한 발명가들이 모여 있다. 여러 분야를 넘나드는 공동 작업자들은 효율성, 중복성, 강인함의 대가들이기 때문에 선택됐다. 이를 항공우주 설계에 적용하면 경량화, 배기가스 배출 감소, 연료 절감, 고성능의 지속가능한 항공기를 의미한다.

왜 점균류일까? 전체 구조를 구성하는 크고 레이스 같은 '매크로 프레임'은 점균류 알고리즘을 통해 설계됐으며, 강도를 유지하면서 강력한 연결 지점을 강화하고 불필요한 소재를 제거하는 효율성의 달인이기 때문이다.
그럼 왜 뼈인가? 파티션의 '마이크로 프레임' 부분은 포유류의 뼈에서 영감을 얻은 격자 구조로 채워졌는데, 이는 응력이 가해지는 지점에서는 강하지만 강도가 필요하지 않은 곳에서는 무게가 필요없다. 실제 뼈의 내부 구조는 인장력과 압축력을 모두 관리하는 섬유 격자 구조 덕분에 강도에 최적화되어 있으며 가볍다.

바이오에서 영감을 얻은 청색기술의 생성형 디자인을 사용하면 기술과 생물학 사이의 경계가 모호해진다. 이러한 경계의 모호함은 제조 분야에서 가장 큰 혁신 중 하나가 될 수 있다.

바이오닉 파티션의 개념 증명은 객실 칸막이에 초점을 맞추었지만, 이 '바이오 컴퓨팅' 설계 혁신은 사실상 비행기 기체 전체로 확장되어 제품 혁신의 가능성을 보여주고, 배기가스로 악명 높은 산업을 탈탄소화하는 데 도움이 될 수 있다. 바이오닉 파티션을 주문 대기 중인 A320 항공기에 적용하면 연간 최대 100만 미터톤의 탄소 배출량을 줄일 수가 있다. 통계에 따르면 전 세계 항공업계에서 배출되는 이산화탄소는 연간 약 10억 톤으로, 대부분의 국가가 배출하는 양보다 많다. 그리고 이 수치는 계속 증가하고 있다. 

하나의 태초적 세포와 인간의 뼈가 우리 모두를 우리가 원하는 미래에 더 가깝게 만들 수 있다면, 그리고 우리가 그들의 지침에 기꺼이 주의를 기울이고 적용한다면, 우리는 우리가 원하는 곳으로 갈 수 있는 것이다.

두뇌 없는 단일 세포가 어떻게 우리의 미래를 형성하고 우리의 마음을 놀라게 할 수 있는지 그저 경이로울 따름이다.