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[종이접기 기술] 의학에서 우주에 이르기까지 기술을 혁신하고 있다. 레이저 물리학자로 일했던 저명한 종이접기 예술가인 Robert J. Lang 은 이렇게 말한다 . "그곳은 필드를 위한 멋진 장소이다."

박민제 | 기사입력 2023/01/26 [10:29]

[종이접기 기술] 의학에서 우주에 이르기까지 기술을 혁신하고 있다. 레이저 물리학자로 일했던 저명한 종이접기 예술가인 Robert J. Lang 은 이렇게 말한다 . "그곳은 필드를 위한 멋진 장소이다."

박민제 | 입력 : 2023/01/26 [10:29]

 

짖는 불협화음이 현관문으로 배달된 골판지 상자를 알려줍니다. 안에 포장된 것은 큰 여행 가방처럼 보이는 것으로 접힌 흰색 골판지 플라스틱 한 장입니다. 내 거실의 거의 너비에 걸쳐 있는 단단한 형태를 펼치자 동료 반려견들이 호기심 어린 냄새를 맡습니다. 한쪽 접힌 부분을 바깥쪽으로 밀면 충격적으로 큰 팝 소리가 들립니다.

개들은 엄폐물을 위해 전력 질주하고 나무 바닥을 뒤섞고 나는 미친 듯이 손상을 찾고 심장이 두근 거립니다. 하지만 아무것도 깨지지 않았습니다. 대신 플라스틱 여행가방이 변신했고, 어느새 풀 사이즈 카약이 내 거실에 앉아 있다.

Oru Kayak 회사에서 제작한 이 보트 는 수백 년 된 종이접기 예술에서 영감을 받은 과학 기술 혁명의 일부입니다. 접힘 패턴 뒤에 있는 수학을 이해하려는 노력으로 시작된 것은 안면 마스크 의 필터 , 카약의 플라스틱, 심지어 살아있는 세포까지 모든 종류의 재료의 모양, 움직임 및 속성을 조작할 수 있는 놀라운 가능성을 열었습니다 .

이전에 레이저 물리학자로 일했던 저명한 종이접기 예술가인 Robert J. Lang 은 이렇게 말합니다 . "그곳은 필드를 위한 멋진 장소입니다."

 
날개를 펼친 종이학의 그림.
 
날개를 펼친 종이학의 그림.
종이 접기 예술가이자 물리학자인 Robert J. Lang은 자르지 않은 단일 정사각형 종이에서 두 크레인을 접었습니다. 대부분의 초기 종이접기 모델은 왼쪽 이미지의 전통적인 학처럼 상당히 단순했습니다. 가늘고 긴 사지에서 깃털 달린 날개에 이르기까지 오른쪽에 있는 두루미의 복잡성은 한때 거의 불가능하다고 생각되었습니다. 그러나 종이접기에 수학을 사용한 선구자인 Lang은 1993년에 컴퓨터가 종이접기를 디자인하는 데 도움이 되는지 테스트하기 위해 개발한 TreeMaker라는 프로그램의 핵심에서 기하학적 개념을 사용하여 놀랍도록 사실적인 종이새를 디자인했습니다.
 
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이 일련의 산과 계곡에는 놀라운 특성이 있습니다. 한 번의 동작으로 압축되거나 평평해질 수 있습니다. Lang은 한 장의 종이를 사용하여 테셀레이션 종이접기의 이 예를 접었지만, 이 패턴은 1995년 우주선 발사 이후 배치된 일본의 Space Flyer Unit에 탑재된 태양 전지판을 포장하는 데에도 사용되었습니다. 연장과 확장을 동시에. 미우라-오리(Miura-ori)로 알려진 이 패턴은 1970년대 천체물리학자 미우라 고려(Koryo Miura)가 설명했으며 너도밤나무 잎이 펼쳐지는 것과 같이 자연에서 발견되는 패턴과 유사합니다.
 
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Shuguang Li는 접을 수 있는 종이접기 원통을 가지고 놀다가 충동적으로 그것을 진공 백에 넣었습니다. 당시 하버드와 MIT에서 박사 후 과정을 밟고 있던 리는 공기를 빼내고 손으로 누른 것처럼 모양이 수축하는 것을 보고 놀랐다. 다른 모양을 테스트하면서 그는 접는 패턴과 재료의 강성이 움직임을 제어한다는 사실을 깨달았고, 이러한 발견으로 인해 부드럽고 강하며 가벼운 로봇 팔이 탄생했습니다. 각 팔은 종이접기의 주름에서 영감을 받은 내부 골격이 있는 진공 백 "피부"에 싸인 인공 근육처럼 작동합니다. Li는 진공 압력을 변화시켜 팔이 들어 올리거나 잡는 것과 같은 유용한 작업을 수행하도록 할 수 있습니다.

종이 접기 기술은 적어도 17세기부터 일본에 존재했지만 오래 전부터 종이 접기의 힌트가 있습니다. 처음에는 모델이 단순했고 종이가 비쌌기 때문에 신도 결혼식에서 술병을 장식하는 오초와 메초로 알려진 암수 종이 나비와 같이 주로 의식 목적으로 사용되었습니다. 종이 가격이 떨어지면서 종이접기의 용도는 선물 포장, 장난감, 심지어 아이들을 위한 기하학 수업까지 퍼졌습니다.

그러다가 20세기 중반 종이접기의 거장 요시자와 아키라가 종이 접기를 미술로 승격시키는 데 일조했습니다. 그는 움푹 들어간 눈에서 빛을 발하는 근엄한 얼굴의 고릴라부터 즐겁게 코를 흔드는 아기 코끼리에 이르기까지 자신이 디자인한 각 생명체에 생명과 개성을 불어넣었습니다. 1954년 첫 번째 종이접기 책을 출판하면서 Yoshizawa는 예술 형식을 더 쉽게 접할 수 있게 하여 오늘날에도 여전히 사용되는 시스템에 기여한 점선, 대시 및 화살표의 이해하기 쉬운 언어를 확립했습니다.

1950년대 후반 요시자와의 섬세한 형태는 현재 일본 최고의 종이접기 예술가 중 한 명인 후세 토모코 에게 영감을 주었습니다. 그녀의 아버지는 어렸을 때 디프테리아에서 회복 중일 때 Yoshizawa의 두 번째 종이 접기 책을주었습니다. Fuse는 모든 모델을 체계적으로 제작했으며 그 이후로 그녀는 종이접기에 매료되었습니다. “마치 마법 같아요.”라고 그녀는 말합니다. "납작한 종이 한 장만으로도 멋진 것이 됩니다."

 
종이접기가 우리 주변 세계에 영감을 준 혁신을 보십시오.
 
 
그래픽 탐색

그래픽: 종이접기가 우리 주변 세계에 영감을 준 혁신을 보십시오 )

그녀의 많은 업적 중 Fuse는 더 큰 유연성과 잠재적인 복잡성을 가진 모델을 만들기 위해 연동 장치를 사용하는 모듈식 종이접기의 발전으로 유명합니다. 그러나 그녀는 자신의 작업이 창조에 관한 것이라기보다 "보물 사냥꾼처럼" 이미 존재하는 것을 발견하는 것이라고 생각합니다. 그녀는 마치 멀리서 지켜보는 것처럼 자신의 과정을 설명하며 종이가 이끄는 곳이면 어디든 따라갑니다. “갑자기 아름다운 문양이 나옵니다.”

실제로 종이접기는 꽃봉오리에서 나오는 잎이나 날개 를 집어넣는 곤충 과 같은 자연적인 형태에서 볼 수 있는 우주 전체에 울려 퍼지는 패턴을 활용합니다. 그러나 이러한 절묘한 주름이 과학적으로 유용해지려면 연구자들은 패턴을 발견할 뿐만 아니라 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다. 그리고 그것은 수학이 필요합니다.

종이접기의 흥미로운 패턴에 숫자를 넣는 것은 오랫동안 매사추세츠주 스프링필드에 있는 웨스턴 뉴잉글랜드 대학의 수학자 인 Thomas Hull 의 작업을 주도해 왔습니다. 그의 학교 수학 부서에 들어가면 어느 사무실이 그의 사무실인지 즉시 알 수 있습니다. 홀 끝에 있는 문은 열려 있어 모든 종류의 기하학적 모양으로 접힌 대담한 색상의 종이를 드러냅니다. 모델은 천장에 매달려 있고 책장을 장식하고 데스크톱 컴퓨터를 둘러싸고 있는 작은 방 구석구석을 가득 채웁니다. Hull 자신은 색상과 패턴의 폭동입니다. 보라색 끈으로 묶인 그의 신발 위에서 검은색과 흰색의 나선이 춤을 춥니다. 그는 오랫동안 패턴에 매료되어 10살 때 종이학을 펼치고 평평한 시트의 정렬된 주름에 놀랐던 것을 여전히 기억합니다.

이것이 작동하도록 허용하는 규칙이 있습니다. 그는 생각을 회상합니다. Hull과 다른 사람들은 종이접기의 세계를 지배하는 수학을 이해하기 위해 수십 년을 보냈습니다.

우리가 이야기를 나누는 동안 Hull은 흥미로운 모양으로 접히거나 예기치 않은 방식으로 움직이는 일련의 모델을 꺼냅니다. 하나는 동심 사각형의 능선으로 접힌 불가능해 보이는 시트로, 쌍곡선 포물면으로 알려진 우아한 급강하로 종이가 비틀리게 합니다. 또 하나는 한 번의 잡아당김으로 무너지거나 열리는 미우라 오리 패턴이라고 하는 일련의 산과 계곡에서 접힌 시트입니다. 1970년대 천체물리학자 미우라 고려 가 구상한 이 패턴은 1995년 발사된 일본 우주비행단(Space Flyer Unit)의 태양 전지판을 압축하는 데 사용되었습니다.

 
황금 접힌 구조의 그림입니다.
이 팽창하는 원반은 NASA 제트 추진 연구소의 항성용 절반 규모 프로토타입의 중심에 놓여 있으며, 이는 거주 가능한 세계를 찾는 데 중요한 부분이 될 수 있습니다. 우리 은하는 별만큼이나 많은 행성을 가지고 있지만 과학자들은 우주의 별이 빛나는 배경에 눈이 멀어 종종 이러한 궤도를 도는 세계를 직접 볼 수 없습니다. 별빛을 차단하기 위해 우주망원경 앞으로 멀리 날아가면 스타쉐이드는 과학자들이 선명한 시야를 확보하는 데 도움이 될 수 있습니다. starshade의 구조는 발사를 위해 실린더에 감길 수 있는 소위 플래셔 패턴을 기반으로 합니다. 배치하면 전등갓(첫 번째 이미지에서 부분적으로 열린 모습)이 꽃처럼 꽃잎이 있는 평평한 디스크로 펼쳐집니다.

나만의 종이접기 스타셰이드를 출력해서 접으세요 .)

그 이후로 종이접기는 작은 세포 시트를 포함하여 다양한 유형의 재료에 적용되었습니다. 이 특이한 매체 는 홋카이도 대학 의 Kaori Kuribayashi-Shigetomi 가 만든 자동 접힘 구조를 코팅합니다 . 조사를 받으면 세포가 수축하여 평평한 구조를 세포의 "레고 블록"으로 변형시켜 언젠가는 장기 성장에 도움이 될 수 있습니다.

현재 과학 기술 분야 에서 종이접기가 인기를 얻고 있음에도 불구하고 연구원들의 초기 접기 시도는 저항에 부딪혔습니다. Hull은 1997년에 연구와 교육을 지원하는 미국 정부 기관인 국립과학재단(NSF)의 프로그램 담당관과 나눈 대화를 아직도 기억합니다. Hull은 잠재적인 프로젝트의 개요를 설명하고 있었는데, 프로그램 담당자가 NSF가 "제목에 종이접기가 포함된 연구 제안서"에 절대 자금을 지원하지 않을 것이라고 말하면서 그의 말을 끊었습니다.

이러한 회의론은 미국에만 국한되지 않았습니다. 도쿄 대학의 저명한 종이접기 엔지니어인 Tomohiro Tachi 는 자신의 작업에 대한 저항에 직면한 적이 있는지 물었을 때 미소를 지으며 내려다보고 있습니다. 일본 사람들은 종종 종이접기를 어린애 놀이 로 여긴다고 그는 말합니다 . 그러나 그러한 인식은 지난 수십 년 동안 NSF가 변화의 많은 부분을 주도하면서 바뀌었습니다.

Glaucio Paulino  는 2009년부터 조직에 임시로 근무하는 동안 종이접기와 관련된 연구 자금을 지원했습니다. "그 과정은 잔인했습니다."라고 현재 Princeton의 공학 교수인 Paulino는 말합니다. "우리는 아이디어를 방어하기 위해 항상 뜨거운 자리에 있었습니다."

그러나 그 노력은 결실을 맺었습니다. 2011년에 NSF는 종이접기와 과학을 혼합한 제안에 대한 두 가지 요청 중 첫 번째 요청을 발표했고 연구원 팀이 아이디어를 제출하기 위해 모여들었습니다. 이 움직임은 급성장하는 분야에 합법성을 부여했고 과학에서 종이접기의 사용이 꽃을 피웠습니다.

"이런 공명이 있었습니다."라고 Lang은 말합니다. "때가 된 일이었습니다."

종이접기는 현재 과학자들이 가능하다고 생각하는 것, 특히 가장 작은 규모에서 한계를 뛰어넘고 있습니다. 타오르는 듯한 무더운 여름날, 나는 펜실베니아 대학의 전기공학자인 마크 미스킨 을 만났다. UPenn의 Singh Center for Nanotechnology의 공기가 잘 통하는 로비 내부에서 우리는 밝은 주황색 유리 벽을 통해 Tyvek으로 머리부터 발끝까지 옷을 입은 사람들이 현미경에 앉아 있거나 통풍구 아래에서 작업하는 일련의 방을 들여다 봅니다. Hull의 사무실의 형형색색의 혼돈과는 동떨어진 세상처럼 느껴지지만 종이접기는 여기에서도 그다지 중요하지 않을 수 있습니다.

Miskin과 그의 학생들은 클린룸을 사용하여 먼지보다 크지 않은 로봇 군대를 만들어 왔습니다. 이러한 작은 봇에는 큰 창의성이 필요합니다. 움직이는 부분이 있는 기어와 대부분의 다른 메커니즘은 운동량과 관성이 지배하는 인간 크기의 세계에서 가장 잘 작동한다고 Miskin은 설명합니다. 그러나 마찰과 같은 힘이 엄청나서 모든 것이 고착되는 작은 스케일에서는 그렇지 않습니다. 기어가 돌아가지 않습니다. 바퀴가 돌지 않습니다. 벨트가 작동하지 않습니다.

그것이 종이 접기가 들어오는 곳입니다. 접는 패턴은 적어도 이론적으로는 어떤 크기에서도 같은 방식으로 구부리고 움직일 것입니다. 컴퓨터 칩 산업과 동일한 기술을 사용하여 만든 Miskin의 로봇은 팔과 다리가 있는 뚱뚱한 조각처럼 보입니다. 전압과 같은 방아쇠에 노출되면 팔다리가 구부러져 유리 슬라이드의 한 방울을 통과하거나 지나가는 아메바에서 손을 흔들 수 있습니다.

 
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2007년 건축학 석사 학위를 막 마친 안톤 윌리스는 샌프란시스코의 한 아파트로 이사했는데 너무 비좁아서 사랑하는 카약을 창고에 넣어야 했습니다. 종이 접기 예술가이자 물리학자인 Lang의 잡지 프로필은 그에게 공간 문제에 대한 해결책인 접히는 카약에 대한 아이디어를 제공했습니다. 그는 보트가 방수가 될 수 있도록 한 장의 연속 시트에서 때때로 직장에서 몰래 종이 모형을 만들기 시작했습니다. 결국 Oru Kayak을 설립한 Willis는 이렇게 말합니다. 이 회사는 이제 몇 분 안에 압축되고 기존 카약과 비슷한 가격의 접이식 보트 전체 라인을 보유하고 있습니다.
 
추상 종이 접기 조각의 그림입니다.
 
파란 얼굴 마스크
왼쪽 : 수학자들은 원형 시트에 구부러진 주름이 추가되어 형성되는 이 구조의 우아한 굴곡 뒤에 있는 수학을 완전히 이해하지 못합니다. MIT의 아버지 Martin Demaine과 함께 접는 패턴을 디자인한 MIT 교수 Erik Demaine은 "매우 간단한 주름으로 정말 인상적인 3D 형태를 얻을 수 있습니다."라고 말합니다. 새로운 마술을 개발하는 방법으로 접기에 이끌린 두 사람은 종이접기가 제시하는 기하학적 문제에 반했습니다. 구부러진 주름에는 아직 응용 프로그램이 없지만 Erik은 단순성과 잠재적 강도에서 많은 가능성을 봅니다.
오른쪽 : Air99의 Airgami 안면 마스크의 복잡한 접힘 패턴은 착용감과 기능을 모두 향상시킵니다. 더 단단하고 접을 수 있는 레이어에 융합된 유연한 N95 등급 필터로 제작된 마스크의 가장자리는 특정 주름 패턴으로 인해 얼굴과 같은 높이를 유지합니다. 평평하게 하면 일반 N95 마스크보다 2~3배 크기입니다. 마스크의 표면적을 늘리면 한 번에 더 많은 공기가 통과할 수 있습니다. Air99의 공동 창립자이자 CEO인 Richard Gordon은 "큰 파이프 대 빨대로 숨을 쉬는 것과 같습니다."라고 말합니다.
 
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이 작은 로봇의 소용돌이치는 접힘으로 인해 접거나 확장할 때 비틀릴 수 있습니다. 디자인 전문가이자 건축가인 비루타 크레슬링(Biruta Kresling)에게 흔히 크레슬링 패턴이라고 불리는 주름은 이 작은 의료 도구를 포함하여 크고 작은 원통형 구조의 발명에 영감을 주었습니다. Stanford University의 기계 엔지니어인 Ruike Renee Zhao가 이끄는 팀이 만든 이 장치는 언젠가 표적 약물 전달에 필수적일 수 있습니다. 자기장은 로봇이 몸을 통해 여러 방향으로 움직이도록 지시할 수 있습니다. 예를 들어 회전은 주름의 기하학 덕분에 액체를 통해 추진합니다. 실린더의 반대쪽 끝에 있는 한 쌍의 자석은 접힌 부분을 압축하여 액체 약을 원하는 지점으로 펌핑합니다.

Miskin은 제조에서 의약품에 이르기까지 이 작은 봇이 사용될 수 있는 가능한 방법의 세계를 보고 있습니다. 하지만 지금은 한계를 뛰어넘는 것이 그에게 가장 중요합니다. "어려운 문제를 해결하면 흥미로운 기술로 보상을 받게 될 것입니다."라고 그는 말합니다.

종이 접기는 생물 의학에 대한 특별한 가능성을 가지고 있습니다. 예를 들어 매사추세츠 공과대학(MIT)의 컴퓨터 과학 및 인공 지능 연구소(Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory) 소장인 다니엘라 루스( Daniela Rus ) 가 이끄는 팀은 알약 캡슐에 맞게 접을 수 있는 로봇을 개발했습니다. 캡슐을 섭취한 후 봇이 펼쳐지고 프로그래밍 가능한 자기장을 사용하여 소화 시스템 주위를 안내할 수 있습니다. 초기 테스트에서는 한 가지 가능한 용도를 보여주었습니다. 삼킨 단추 배터리를 위장에서 제거하는 것으로, 매년 수천 명의 어린이가 경험하는 잠재적으로 치명적인 상태입니다. "약을 내장하거나 상처를 패치하는 데 사용하는 것을 상상해보십시오."라고 Rus는 말합니다. "절개, 통증, 감염 위험이 없는 수술의 미래를 상상해 보세요."

이러한 유형의 큰 꿈은 종이접기가 과학의 번영을 가장 많이 돕는 것으로 보이는 곳입니다. 유서 깊은 예술 형식은 자동차 트렁크에 들어갈 만큼 작게 접히는 카약을 포함하여 한때 불가능하다고 생각했던 기술을 창조하고 상상력을 자극하는 새로운 도구 키트를 제공했습니다.

화창한 가을 오후에 저는 카약을 타고 버지니아의 Accotink 호수에서 회전합니다. 플라스틱 여행가방을 펼치자 지나가는 사람들의 호기심 어린 시선이 쏠린다. 아마도 언젠가는 접는 형태가 평범한 것으로 보일 것입니다. 그러나 지금은 종이접기가 과학, 의학, 기술을 미래로 나아가게 하고 내가 호숫가에서 떠내려가는 동안 나를 떠 있게 해 주면서 계속해서 경이로움과 흥분을 불러일으킬 것입니다.

 
종이 토끼 그림
이 토끼는 도쿄 대학의 Tomohiro Tachi가 설계한 컴퓨터 프로그램인 Origamizer에서 생성된 패턴으로 접혀져 복잡한 면 모양을 만들 수 있습니다(토끼의 모자이크 모양에 주목). 이 프로그램은 최근 종이접기 모델의 폭발적인 증가에 박차를 가했습니다. 이러한 접힌 형태는 "공통 언어와 같다"고 Tachi는 전 세계 여러 분야의 과학자를 연결하고 예술과 과학이 혼합될 때 펼쳐지는 무한한 가능성을 보여줍니다.
 
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