사면체 메시를 오제틱 메타물질로 바꾸는 수축·감싸기 설계

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복잡한 3D 외형에 ‘누르면 옆으로도 줄어드는’ 움직임을 넣으려면 어디부터 바꿔야 할까? 스토니브룩대학교 연구진은 형상을 삼각형·사면체 메시로 나눈 뒤 각 요소를 수축하고 원래 꼭짓점 주위를 감싸는 방법을 제시했다. 동료 심사 전 사전 공개 논문에 담긴 설계다.

메시는 형상을 작은 조각들의 연결로 표현한 것이다. 이 변환은 삼각형 또는 사면체 메시로 나눌 수 있는 구조를 대상으로 한다.

기계적 메타물질은 내부 미세구조의 배열로 독특한 기계적 성질을 얻는 재료다. 그중 오제틱 메타물질은 힘을 받아 변형될 때 음의 푸아송비를 나타낸다. 한 축으로 누르면 그 축에 직각인 방향으로도 줄어드는 움직임이 그 예다.

같은 단위 구조를 반복하는 격자를 벗어나면 이런 움직임을 설계하기가 어려워진다. 특히 물체의 3차원 형상 전체에 적용하기가 까다롭다.

AI 개념 이미지: 사면체 메시를 수축·감싸기 구조로 바꿔 서로 반대로 회전하는 셀을 보여준다. 실제 연구 장비나 출력물을 촬영한 사진은 아니다.

사면체 메시의 수축·감싸기는 무엇을 바꾸나

3D 형상의 작은 조각인 사면체를 떠올리면 순서가 보인다. 연구진은 먼저 각 꼭짓점을 사면체 안쪽의 중심을 향해 옮겨, 원래 것과 닮은 작은 사면체를 만든다. 이것이 수축이다.

다음에는 새 꼭짓점들을 연결해 원래 꼭짓점을 포함하는 바깥 구조를 만든다. 이름 그대로 감싸기다.

변환된 각 사면체 안에는 서로 반대 방향으로 회전하는 유형의 셀이 들어간다. 크기와 모양이 제각각인 요소에 같은 움직임의 원리를 적용할 수 있다는 점이 이 방식의 핵심이다.

셀들이 맞닿는 자리도 중요하다. 이웃한 셀에서 겹치는 부분의 모서리나 면이 같은 직선 또는 평면에 놓이도록 구성돼, 사면체별 셀을 이어 더 큰 일체형 구조를 만들 수 있다.

셀 내부의 모양은 해당 사면체와 맞닿은 사면체의 점들로 정해진다. 따라서 각 요소가 서로 다른 모양이어도, 이웃한 요소와의 관계를 바탕으로 내부 구조가 만들어진다.

연구진은 개별 요소 안의 접합부 강성을 세밀하게 조절할 수 있다고 설명한다. 접합부 강성은 연결된 부분이 변형에 얼마나 버티는지를 뜻한다. 위치마다 다른 반응을 설계하려는 경우 눈여겨볼 부분이다.

연구진은 단순한 볼록 다면체뿐 아니라 여러 형상을 조합해 설계한 물체와 3D 스캔 형상에도 변환을 적용했다. 아이폰으로 포착한 스캔 객체는 배경이나 바닥 형상을 MeshLab에서 수작업으로 제거한 뒤 사용했다.

광경화 3D프린팅은 액체 수지를 빛으로 굳혀 형상을 쌓는다. 연구진은 이 방식으로 만든 정이십면체 유래 구조물을 한 축으로 눌렀고, 구조물이 찌그러지면서 가로 방향도 줄어드는 모습을 제시했다.

스토니브룩대학교 연구진이 제시한 푸아송비 −1은 반대 방향 회전 조건에서 나온 이론값이다. 출력물에서 확인한 가로 방향 수축과 구별해야 하는 숫자다.

아이컨택은 복잡한 외형을 유지하면서 위치별 반응을 설계하려는 부품에서 이 방법을 살펴볼 만하다고 본다. 출발점은 외형을 사면체 메시로 나눌 수 있는지다. 실제 부품에 필요한 변형량은 해당 출력물에서 별도로 확인해야 한다.