과제 : 흙과 모래에서 포렌식 신발 자국을 기로하기 위해 휴대용 3D 스캐너와 사진 측량의 정확도를 비교하고, 범죄 현장에서 신발 자국을 주조하는 기존 방법을 대체하는 3D 스캐닝 연구

솔루션 : Artec Space Spider, Artec Studio

Artec Space Spider를 사용하여 1분 이내에 사진 측량보다 높은 정확도로 범죄 현장에서 신발 자국을 3D로 기록할 수 있습니다. 신발 자국을 주물과 달리 3D 스캐너로 측정된 파일은 깨지지 않고, 운반 및 보관이 쉬우며 향후 수년 동안 신뢰할 수 있습니다.

이제는 지저분하고 복잡하며 시간이 오래 걸리는(건조시 24~48시간) 주조 프로토콜에 의존하지 않고도 신발 자국을 1mm 미만의 정밀한 컬러 3D로 기록할 수 있습니다. Space Spider를 사용하면 비전문가가 신발 자국을 쉽게 캡처한 다음 현장에 있는 동안 담당 포렌식 팀과 스캔을 공유할 수 있습니다.

DNA 외에 특정인을 범죄 현장과 연결시킬 수 있는 두 가지 일반적인 유형의 증거는 지문과 신발 자국입니다. TV 범죄 쇼와 CSI 다큐멘터리가 인기를 끌면서 많은 범죄자들이 얼굴을 숨기기 위해 마스크를 쓰고, 지문을 남기지 않기 위해 장갑을 사용하는 등 더 교활해졌습니다.

그러나 범죄자가 신발을 가리거나 개조하려고 시도하는 것은 극히 드문 일입니다. 이것이 실질적으로 모든 범죄 현장이 용의자를 범죄와 직접적으로 연관시킬 수 있는 신발 증거로 가득 찬 이유입니다.

그러한 증거를 적절하게 기록하고 수집하면 용의자의 신원을 넘어서는 많은 세부 정보를 얻을 수 있으며 심지어 신발의 유형, 상표, 크기 및 특정 모델, 현장의 용의자 수, 이들의 이동 경로 그리고 아마도 발생한 연속적인 사건들까지도 범죄 자체의 일부를 재구성할 수도 있습니다.

수집에서 비교까지 

신발 자국을 전체 또는 부분적으로 수집한 후 SICAR, National Footweer Reference Collection(NFRC), EverASM 및 SoleMate FPX와 같은 검색 가능한 데이터베이스를 통해 수천 개의 참조 신발과 비교할 수 있습니다.

일치하는 것을 찾으면 조사관은 로고, 디자인, 트레드 패턴 등과 같이 제조 과정에서 생성되는 신발의 모든 클래스 특성을 볼 수 있습니다. 반면에, 신발의 "개별" 또는 "무작위로 획득된" 특성으로 알려진 것은 순전히 우발적인 변화와 함께 지속적인 착용 패턴의 결과이기 때문에 위의 어떤 데이터베이스에서도 발견되지 않을 것입니다. 이러한 특징으로 인해 각 신발은 다른 모든 신발과 차별화됩니다.

여기에는 긁힘, 흠집, 구멍, 마모, 작은 자갈 또는 사이에 끼인 기타 물질 등이 포함될 수 있습니다. 특정 신발과 범죄 현장에서 발견된 자국을 연결하는 데 이러한 특성의 조합이 매우 중요한 이유는 동일한 장소에서 무작위로 획득한 동일한 특성 중 하나 이상을 다른 신발이 가질 확률은 천문학적으로 낮기 때문입니다.

신발과 자국의 사진을 비교하는 포렌식 신발 전문가

FBI에 따르면 8.5사이즈 신발 밑창의 표면적은 약 16,000㎡입니다. 그래서, 만약 1mm 크기에 불과한 무작위적 특징이 하나라도 있는 경우, 그것이 베인 자국이든, 조약돌이든, 긁힌 자국이든 이것이 동일한 장소에 있는 다른 신발에 나타날 확률은 16,000분의 1에 불과합니다.

 

이것은 신발의 크기와 밑창의 모양뿐만 아니라 특징의 방향, 모양 또는 크기는 고려하지도 않은 것입니다.

이제 같은 위치에 있는 두 개의 서로 다른 신발에 있는 두 개 또는 세 개의 우연한 특성으로 늘리면 확률은 극적으로 떨어집니다. 두 개 특징의 경우 1,279,992,000개 중 하나의 확률이고 세 개 특징의 경우에는 6,830억 개 중 하나의 확률입니다.

자국을 신발과 용의자에 연결

실제 범죄 수사에서 이러한 자국이 어떻게 사용되는지 알아보기 위해 신발 검사관이 검색 가능한 데이터베이스를 사용하여 살인 용의자가 사이즈 15의 Nike Air Jordon XXXVI를 신고 있었던 것으로 판단했다고 가정해 보겠습니다.

 

검사관은 그 신발의 착용자를 찾는 것으로 검색 범위를 좁힐 수 있지만, 그에 상응하는 개별적인 특징, 이른바 신발의 "지문"을 통해 현장에서 찍힌 신발 자국을 실제 신발과 연결시킬 수 있을 때만 신원 확인이 이루어 질 것입니다.

불행하게도 신발 자국은 수사에 매우 중요할 수 있는 만큼 범죄 현장이나 그 주변에서 발견되는 가장 취약한 증거 중 일부입니다. 그래서, 신발 자국은 즉시 기록하고 수집해야 합니다. 특히 신발 자국이 외부에 있고 자연의 요소에 취약하다면, 응급 구조대와 행인들에 의한 오염의 위험은 말할 것도 없습니다.

포렌식 사진 및 주조 : 전통적인 기록 및 수집 방법

수년에 걸쳐 검사용 품질의 컬러 사진을 찍어 신발 자국을 기록하는 과정은 오늘날의 과정으로 진화했습니다. 카메라는 필름 면이 신발 자국과 평행한 삼각대에 조심스럽게 배치해서 모든 사진에 자국의 바닥과 동일한 평면에 엄격한 배율이 포함되게 해야 합니다.

수집 단계에서 딱딱하고 평평한 표면에 만들어진 2D 신발 자국은(보이지 않거나 분명하거나) 정전기, 접착제 또는 젤라틴 리프팅이 필요했습니다.

 

포렌식 기록을 위해 준비된 2D 신발 자국

반면에 모래나 흙과 같이 부드럽고 고르지 않은 기질로 만들어지는 3D 자국은 깊이 특성 때문에 치과용 석재와 같은 실리콘 또는 석고 기반 주조 솔루션이 필요했으며, 이는 지금까지 수십 년 동안 선택해 온 재료였습니다.

신발 자국 증거 주조의 어려움

주조 방법의 큰 단점은 접촉 집약적이고 파괴적인 과정이라는 것입니다. 즉, 원래의 자국이 손상되기 전에는 기회는 단 한 번 뿐이고 더는 증거로 사용할 수 없습니다. 

주조 재료를 혼합하여 준비하자마자 적절한 속도로 신발 자국에 균일하게 부어야 합니다. 그렇지 않으면 재료가 아래로 향하는 충격으로 인해 재료가 굳어지기도 전에 주물이 쉽게 손상될 수 있습니다. 이 과정은 범죄 현장 기술에 크게 좌우됩니다. 

혼합 비율이 잘못되거나 혼합 재료에 기포가 있는 경우 다른 문제가 발생할 수 있으며, 이는 최종 경화된 주물에 틈이 생기게 할 가능성이 있기 때문에 조사 관점에서 주물을 쓸모없게 만들 수 있습니다.

이 접근법의 또 다른 문제는 종종 바위, 돌 흙, 풀, 나문가지 및 기타 잔해 조각이 재료에 섞여 주물의 일부가 된다는 것입니다. 그러나 이러한 물질을 주물에서 꺼내기 전에 주물 재료가 먼저 완전하 경화되어야 합니다. 그렇지 않으면 주물이 심각하게 손상될 수 있습니다.

 

현장의 3D 신발 자국 주물(자석)

아직현장에 있는 동안 주물은 굳는데 45분에서 1시간이 걸립니다. 그래야만 그것을 운반하고 완전히 경화되는 데 걸리는 24~48시간 동안 안전하게 보관한 다음 필요에 따라 잔해물을 청소할 수 있습니다.

눈 속에서 3D 신발 자국을 수집해야 하는 경우 다른 경로가 필요합니다. 석고로 만든 주물은 건저되는 동안 눈을 녹일 만큼 열도 방출하니다.

 

이를 방지하기 위해 Snow Print Wax와 같은 제품을 눈 신발 자국에 분사할 수 있으며, 이때 너무 가까이 분사하거나 너무 많이 도포하면 원래의 자국 패턴이 왜곡될 수 있으므로 주의해야 합니다. 분사한 왁스가 거조되면 주물 재료를 조심스럽게 자국에 부을 수 있습니다.

눈 속의 포렌식 신발 발자국

주물은 완전히 건조되었을 경우에만 다루어 조사에 사용해야 합니다. 주물은 재판 전과 아마도 무기한으로 증거로 보관해야 하기 때문에, 특히 떨어뜨리거나 잘못 다루면 파손되기 쉽기 때문에 큰 크기와 무거운 무게를 고려해야 합니다.

빠르고 간편한 비파괴적 증거 수집을 위한 3D 스캐닝

100여 년 전 포렌식의 아버지인 Edmond Locard가 "모든 접촉은 흔적을 남깁니다"라고 세상에 발표했을 때, 아마도 그는 또한 증거 수집 방법들과 예외 없이 증거 자체를 완전히 파괴하지 않는다면 적어도 어떻게 변경하게 되는지를 업근하고 있었을 겁니다. 

오늘난 점점 더 많은 법 집행 기관과 수사관이 신발 자국을 비롯한 증거를 수집하고 기록하기 위해 3D 스캐너를 사용하고 있습니다. 3D 스캐너는 본질적으로 비접촉식이자 비파괴형이므로 증거를 손상할 위험 없이 쉽고 안전하게 스캔할 수 있으므로 당면한 작업에 이상적인 선택입니다.

신발 자국 주물이 건조되기 전에 대기 시간이 필요한 것과 달리 스캐너를 통해 결과물로 만들어진 3D 모델은 심지어 범죄 현장에서도 캡처 후 몇 분 만에 준비할 수 있습니다. 이러한 3D 모델은 도시, 주 또는 그이상의 곳에 있는 다른 조사관, 기술자 및 기관과 공유할 수 있습니다.

일부 3D 스캐너는 또한 영국에서 Artec의 골드 공인 파튼인 Patrick Thorn의 도움을 받아 Artec Leo로 1분 동안 눈 속의 부츠 자국을 스캔한 후 다음 두 스크린샷에서 알 수 있듯이 눈에서 신발 자국을 캡처하는 데에도 사용할 수 있습니다.

앞서 설명한 바와 같이 주조 과정에서 눈이 손상되지 않도록 보호하기 위해 특수 스프레이를 사용하더라도 많은 포렌식팀은 현장에서 이러한 도구를 사용할 수 없거나 단순히 24~48시간의 주조 과정이 완료될 대까지 기다릴 만한 시간과 자원이 없습니다.

눈 속 신발 자국의(텍스처가 제거된) Leo 스캔을 보여주는 Artec studio 스크린 셧. 사진 제공 : Patrick Thorn

 

 

증거 가늠 : 3D 스캐닝 대 사진 측량 및 주조

최근에 3D 스캐닝 솔루션이 신발 자국 증거를 주조하는 데 적합한 대체 솔루션이 될 수 있는지 여부와 그것이 현대적인 디지털 사진 측량과 얼마나 잘 비교되는지를 알아보기 위해 포렌식 연구가 수행되었습니다.

휴대용 3D 스캐닝 기술을 사용한 신발 자국 증거 복원 연구는 온타리오 공과 대학(Ontario Tech University)의 포렌식 연구원이자 학생인 Julia Harvey가 FEPAC 인증 포렌식 학사 학위 프로그램의 학사 우등 연구 논문의 일부로 수행했습니다.

Harvey는 ai2-3D Forensics의 기술사인 Eugene Lisico, 온타리오 공과 대학의 Theresa Stotesbury 박사 그리고 지역 경찰 기관과 협력하여 연구의 목적을 달성했습니다. 이 연구의 중심에는 Artec Studio 소프트웨어와 함께 포렌식, 고생물학, 의학 및 기타 분야에서 오랫동안 널리 사용하고 있는 전문 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider가 있었습니다.

Artec Space Spider를 사용하여 3D 신발 자국을 기록하는 포렌식 연구원 Julia Harvey. 사진제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

 

 

Space Spider는 초당 최대 100만 개의 데이터 포인트를 0.05mm(사람의 머리카락 굵기)의 정확도로 캡처하므로 사용자는 표저이나 마커 없이 매우 복잡한 신발 자국도 1분 이내에 스캔할 수 있습니다.

단계별로 연구 진행

작업 흐름의 중심에서 Harvey는 두 개의 서로 다른 기질(흙과 모래)에서 부츠와 운동화를 사용하여 네 개의 개별 신발 자국을 만들고 CloudCompare에서 거리 계산을 수행하여 Space Spider 스캔에서 생성된 3D모델 대 사진 측량을 사용하여 맘든 3D 모델의 정확도를 밝혀냈습니다. 사진 측량을 통해 자국을 캡처하기 위해 Nikon 24.1 MP D7100 DSLR이 사용되었습니다.

3D 증거가 시각화되는 것을 지켜보면서 Space Spider로 3D 신발 자국을 기록하는 연구원 Julia Harvey. 

사진 제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

연구 결과에서 Artec Space Spider 포인트 클라우드와 삼각대에 장착된 3D 스캐너를 톹해 만들어진 고해상도 기준치 3D 모델 간의 거리 계산에서 포튼이의 97%가 절대 거리가 0.492mm 이하이고, 사진 측량과 기존치 3D 모델에 대해 동일한 계산을 수행한 결과 포인트의 97%가 절대 거리가 0.512mm 이하인 것으로 나타났습니다.

3D 신발 자국 긹을 위한 Space Spider(위) 대 사진 측량(아래)의 우수한 정확도를 보여주는 히트맵 비교. 

사진 제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

Harvey는 "연구 결과에 따른면 Artec Space Spider를 사용하면 범죄 현장에서 신발 자국 증거를 수집할 때 휴대용 3D 스캐너가 주물을 대체할 수 있습니다. 결과물은 2D 사진과 유사하며 이에 더하여 가능한 모든 각도에서 신발 자국의 모든 세부 사항을 바로 가까이에서 볼 수 있다는 이점이 있습니다."라고 말했습니다.

모든 3D 스캐너가 그런 것은 아닙니다. 일반적으로 전문 3D 스캐너는 저렴한 솔루션보다 정확도가 훨씬 높고 노이즈 레벨이 낮습니다. Harvey의 연구에 따르면 스캔에 노이즈가 너무 많으면 자국을 다시 스캔해야하며 이로 이로 인해 복구에 필요한 시간이 몇 배로 늘어날 수 있습니다. 

부츠 자국의 Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏. 

사진 제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

또한 젖은 흙, 진흙 등과 같은 다양한 기질에 만들어지는 자국은 과도한 반사율 및 기타 문제로 인해 많은 3D 스캐너가 캡처하기 어려훌 수 있으므로 실제 범죄 현장에서 사용하기 전에 이러한 시나리오를 테스트하여 선택된 장치가 모든 중요한 작은 개별 특성을 포함한 전체 자국을 캡처할 수 있는지 확인해야 합니다.

 

부츠 자국의(텍스처가 제거된) Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린 샷. 

사진제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 EugeneLiscio

3D 스캐닝 대 사진 측량의 정확성 외에도, 포렌식 전문가와 기관은 다음을 포함하여 여러 다른 측면에서 이점을 얻을 수 있습니다.

- 캡처 속도(자국당 1분 미만)

- 현장에 있는 동안 분석을 수행하는 기능(밑창 특징과 개별 특성 간의 거리 계산)

- 부서과 기관 간에 3D 데이터를 쉽게 저장하고 공유

- 법정이나 수사를 목적으로 실제와 같은 복제본을 3D 프린팅하는 기능

시연을 위한 포렌식 신발 자국의 3D 프린트된 축소 모델. 

사진 제공 : ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

Harvey는 다양한 기질 또는 다양한 기상 조건에서 만들어진 자국과 함께 불완전한 신발 자국의 3D 컬렉션을 포함하는 향후 연구 방향을 보고 싶어 합니다. 이미 알고 있는 신발과 알려지지 않은 자국을 3D로 비교하는 것도 법 집행 기관에 유용할 수 있습니다.

Harvey는 "전문 3D 스캐너는 범죄 현장에서 신발 자국의 캡처 외에도 혈흔 패턴, 총알구멍, 인체 및 유해는 물론 무기, 도구 및 주변의 전체 장면을 비롯한 기타 물체를 기록하는 것에서 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 우리는 단지 3D 스캐닝이 포렌식 및 기타 분야에서 할 수 있는 일의 시작을 보고 있는 것이라고 생각합니다."라고 말했습니다.

 

Icon은 스핀들 툴 헤드가 있는 EXT 1270 Titan Pellet 3D 프린터를 선택하여 리드 타임과 금형 생산과 관련된 비용을 크게 줄였습니다.

Icon은 EXT 1270 Titan Pellet 3D 프린터를 생산 워크플로에 통합한 캐나다 최초의 제조업체입니다.

 

사우스캐롤라이나주 록힐, 2023년 10월 23일 – 오늘 3D Systems(NYSE:DDD)는 캐나다 매니토바주 윙클러에 본사를 둔 열성형 및 회전 성형 회사인 Icon Technologies Limited가 EXT 1270 Titan Pellet 3D 프린터를 구매했다고 발표했습니다. 이 회사는 레저용 차량, 건축 제품 및 HVAC 시스템을 포함한 다양한 산업 응용 분야를 위해 OEM 고객에게 혁신적인 맞춤형 열성형 솔루션을 제공하는 것으로 유명합니다. 제조 현장에 EXT 1270 Titan Pellet 3D 프린터가 추가됨에 따라 Icon은 속도가 크게 향상되고 비용이 크게 절감되는 대형 열성형 금형을 생산할 수 있을 것으로 믿습니다.

 

EXT 1270 Titan 펠릿 시스템은 저가의 열가소성 펠릿 공급 원료를 활용하도록 설계된 신뢰할 수 있는 다용도 산업용 적층 제조 솔루션입니다.

"우리가 서비스를 제공하는 산업의 폭과 우리가 생산하는 대형 금형으로 인해 생산성을 극대화하는 것이 필수적입니다"라고 Icon Technologies Limited의 설립자 겸 CEO인 John Loewen은 말했습니다. "3D Systems의 EXT Titan Pellet 3D 프린터는 고객에게 고품질 제품을 제공하는 데 도움이 되는 최고의 솔루션입니다. 빌드 볼륨, 산업 공학, 경제적인 공급 원료 및 가열된 챔버와 열성형 응용 분야에 대해 검증된 재료의 조합은 다른 대형 프린터보다 두드러집니다. 또한 작년에 제조 시설을 방문했는데 애플리케이션 엔지니어링 팀과 그들이 진행하고 있는 광범위한 프로젝트에 깊은 인상을 받았습니다. 사람들 외에도 제조 라인, QA 프로세스 및 세부 사항에 대한 관심을 직접 보면서 고객에게 제공하는 서비스를 발전시킬 뿐만 아니라 고객의 비즈니스 성장을 돕기 위해 올바른 선택을 하고 있다는 것을 다시 한 번 확인했습니다."

3D Systems의 EXT 1270 Titan 펠릿 시스템은 저가의 열가소성 펠릿 공급 원료를 활용하도록 설계된 신뢰할 수 있는 다용도 산업용 적층 제조 솔루션입니다. 이 시스템은 최대 1270mm x 1270mm x 1829mm(50인치 x 50인치 x 72인치)의 인쇄량을 제공하여 Icon에 필요한 것과 같은 대부분의 대형 열성형 도구를 인쇄할 수 있습니다. EXT Titan Pellet 시스템은 다양한 노즐 크기와 호환되므로 사용 가능한 다른 시스템보다 더 미세한 층을 인쇄 할 수 있습니다. 이를 통해 대부분의 경우 후가공 없이 열성형 금형을 생산할 수 있습니다. Icon이 생산하는 특정 금형에 대해 더 미세한 표면 또는 더 엄격한 공차가 필요한 경우 스핀들 도구 헤드를 사용하면 인쇄물을 별도의 CNC 기계로 이동하지 않고도 매끄럽고 정확한 표면을 얻을 수 있습니다.

EXT Titan Pellet 3D 프린터는 다양한 제조업체가 대형 열성형 금형의 직접 생산에서 상당한 비용 및 리드 타임 절감을 실현할 수 있도록 지원합니다(기계 가공 금속 또는 주조 세라믹 대체품에 비해 최대 88%의 원자재 비용 절감 및 최대 65% 리드 타임 단축). 3D 프린팅 금형은 생산 비용이 저렴하고 빠를 뿐만 아니라 성능도 매우 뛰어납니다. 예를 들어, 유리 충전 폴리카보네이트와 같은 복합 재료는 명백한 마모가 거의 또는 전혀 없이 1,000샷 이상을 견뎌낸 것으로 보고된 금형을 사용하여 헤비 게이지(.220") 시트 성형을 위한 입증된 솔루션입니다.

"Icon은 오랜 고객 관계를 유지하고 있으며 고품질 금형을 제공하는 것으로 높은 평가를 받고 있습니다"라고 3D Systems의 Titan 비즈니스 개발 글로벌 이사인 Brad Mount는 말했습니다. "제조 워크플로에 EXT 1270 Titan Pellet 3D 프린터를 추가한 캐나다 최초의 제조업체로서 지속적인 혁신에 대한 약속을 입증하는 동시에 고객이 비즈니스를 혁신할 수 있는 길을 닦고 있습니다. 우리는 Icon의 응용 프로그램에 대한 재료 및 인쇄 프로세스를 검증하는 Application Innovation Group과 글로벌 지원 네트워크를 통해 Icon과의 협력에 자부심을 느낍니다. Icon이 이 새로운 시스템의 이점을 극대화하면서 비즈니스를 어떻게 성장시킬 수 있을지 기대됩니다."

3D Systems는 이번 주 오하이오주 클리블랜드에서 열리는 10월 24일부터 26일까지 열리는 SPE 열성형 컨퍼런스에서 대형 EXT Titan Pellet 3D 프린터 제품군을 선보일 예정입니다. 참석자는 부스 #217을 방문하여 인쇄된 금형 및 성형 부품의 예를 보고 회사 전문가와 운영의 고유한 요구 사항에 대해 논의할 수 있습니다. 자세한 내용은 회사 웹 사이트를 방문하십시오.

미래 예측 진술

본 보도 자료에서 과거 또는 현재 사실에 대한 진술이 아닌 특정 진술은 1995년 증권민사소송개혁법(Private Securities Litigation Reform Act of 1995)의 의미 내에서 미래 예측 진술입니다. 미래 예측 진술은 알려지거나 알려지지 않은 위험, 불확실성 및 회사의 실제 결과, 성과 또는 업적이 과거 결과 또는 이러한 미래 예측 진술에 의해 표현되거나 암시된 미래 결과 또는 예측과 실질적으로 다를 수 있는 기타 요인을 포함합니다. 많은 경우, 미래 예측 진술은 "믿는다", "믿는다", "기대한다", "할 수 있다", "할 것이다", "추정한다", "의도한다", "예상한다", "계획한다"와 같은 용어 또는 이러한 용어의 부정 또는 기타 유사한 용어로 식별될 수 있습니다. 

 

미래 예측 진술은 경영진의 신념, 가정 및 현재 기대를 기반으로 하며, 비즈니스에 영향을 미치는 미래 사건 및 추세에 대한 회사의 신념 및 기대에 대한 의견을 포함할 수 있으며, 필연적으로 불확실성의 영향을 받을 수 있으며, 그 중 다수는 회사의 통제 범위를 벗어납니다. 회사가 증권거래위원회(Securities and Exchange Commission)에 제출하는 정기 서류의 "미래 예측 진술" 및 "위험 요인"이라는 제목 아래 설명된 요인 및 기타 요인으로 인해 실제 결과는 미래 예측 진술에 반영되거나 예측된 것과 실질적으로 다를 수 있습니다. 경영진은 미래 예측 진술에 반영된 기대치가 합리적이라고 생각하지만, 미래 예측 진술은 미래 성과나 결과를 보장하지 않으며, 그러한 성과나 결과가 달성될 시기에 대한 정확한 지표가 될 수도 없습니다. 포함된 미래 예측 진술은 진술 날짜를 기준으로 작성되었습니다. 3D Systems는 법률에서 요구하는 경우를 제외하고 향후 개발, 후속 사건 또는 상황 또는 기타 결과의 결과로 경영진 또는 경영진을 대신하여 작성된 미래 예측 진술을 업데이트하거나 검토할 의무가 없습니다

요약: 사람들을 위한 외골격을 만들 때, 한 가지 중요한 문제는 그 사람과 외골격 간의 완벽한 상호 작용을 달성하는 것입니다.

목표: 불편함과 스트레스를 방지하기 위해 정확하고 신속하게 환자를 3D 스캔하여 그 결과물인 디지털 모형을 사용하여 석고 주형을 사용하는 것보다 신속하고 쉽게 맞춤형 보조기 제작하기.

사용 도구: Artec Eva 및 Artec Studio

 

벨기에의 한 연구 그룹은 3D 스캐닝, CAD 및 3D 인쇄의 도움으로 사용자 맞춤 디자인의 전원식 외골격의 기능을 향상시키고 있습니다.

브뤼셀 대학의 브리 제 대학 (Vrije Universiteit Brussel)의 박사과정 연구원 Kevin Langlois는 인류는 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 기술 혁명의 위기에 처해 있다고 믿고 있습니다. Kevin은 대학의 로봇 공학 및 다물체 기게장치 (R&MM) 연구 그룹의 구성원으로, 주요 초점 영역은 전원식 외골격과 같은 착용식 로봇입니다. Kevin은 로봇 보조 기술이 사람들의 이동성을 유지하면서 도움 받는 것에 대한 의존도를 낮추고 움직이지 못하는 것에 의한 2차적인 건강 위험을 줄이기 때문에 의료 비용을 통제 할 수 있는 주요 기술 중 하나라고 생각합니다.

"여기 이 외골격은 근본적인 변화의 일부입니다. 이 기술은 부상 재활 치료, 인력 증가 및 일상 활동의 위험 예방 및 지원 등에 유망한 결과를 보여줍니다." Kevin씨가 말합니다.

 

R&MM의 MIRAD, 조절식 보조기가 장착된 전동 보조 외골격

이 연구 분야에서 주목할만한 진전이 있었다는 사실에도 불구하고, 인간과 로봇화 된 외골격 간의 완벽한 상호 작용을 달성하는 방법에 대한 주요한 문제는 아직 해결되지 않았습니다. 기계적 차원에 있어서 이 질문의 해답은 두 개체 사이의 절대적인 접착력을 얻는 방법에 달려 있습니다.

이 질문은 각 사람마다 인체 측정학적 (사지의 크기와 기능)으로나 생체 역학 (사람이 걷는 방식)적으로 독특한 점을 보인다는 것을 감안하면 대답하기 쉽지 않습니다. 이는 각 개인별로 맞춤 솔루션이 필요하다는 것을 의미합니다.

기성품 솔루션이 최선의 선택이 아니라는 것을 R&MM의 경험이 보여줍니다. 처음에 이 그룹은 스트랩과 브래킷으로 몸에 부착시킨 연구용 조절식 보조 도구를 구입하여 시작했습니다. 그러나 이러한 비품은 자주 잘못 배치되어 외골격 성능이 비효율적이었습니다.

대안 솔루션을 찾았는데, 바로 3D 스캐닝을 사용하여 피사체의 개별 해부체를 포착하고 원활하게 복제 할 수 있는 보조기를 설계하는 것입니다. 특히, 외골격의 물리적 접속기는 인간과 로봇 간의 기계적 연결이기 때문에 3D로 스캔합니다. 이 방법을 사용하면 사용자의 편안함을 유지시킨 채 보다 견고한 접착력으로 외골격의 견고성을 높일 수 있습니다. 이를 위해 Artec의 골드 파트너인 4C Creative CAD CAM Consultants에서 Artec Eva 고정밀 3D 스캐너를 구입했습니다.

"현재 이 분야에 대한 연구는 거의 없습니다. 지금까지 대부분의 연구는 이 기계의 기초, 작동 및 제어에 중점을 두었습니다. 이제는 인간을 이 시스템에 통합 할 시간이 되었습니다. 따라서 R&MM 연구소에서는 3D 스캐닝 기술을 사용하여 새로운 솔루션을 개발하기로 결정했습니다." Kevin씨가 언급하였습니다.

 

 

Artec Eva 3D 스캐너를 사용하여 재구성한 정강이의 디지털 모델

"이제 우리는 Artec Eva를 사용할 것입니다. 이 장치는 조절식 보조기에 비해 장점이 많은 개별 보조기를 설계하고 생산하는 데 도움이 됩니다. Eva 스캐너는 환자의 디지털 이미지를 편집하는 데 빠르고 (5 분 미만) 정확한 스캔 프로세스를 제공합니다. 이 3D 스캐닝 장치를 사용하여 보조기를 생산하는 것은 석고 몰드를 사용하는 것보다 시간과 노력이 적게 들어갑니다." Kevin 씨가 말합니다.

생체 역학 문헌을 토대로 대상의 관절 (발목, 무릎 및 엉덩이)에 전달해야 하는 회전력 또는 힘을 추정 할 수 있습니다. MIRAD 외골격 장치가 엉덩이, 무릎 및 발목 관절에 힘을 주는 것을 통해 보행에 도움을 주기 위해서 입니다. 통증 압력 임계치 (PPT)에 대한 정보, 즉 통증을 느끼기 전에 인간이 특정 해부학적 영역에서 견딜 수 있는 최대 압력과 함께 교정용 프로토타입을 설계할 수 있습니다.

작동기의 핵심 기능은 가변 요소(가변적인 하중을 가진 탄성)와 전기 구동의 연속적인 사용입니다. 이 제품의 특성은 에너지 저장, 피크 전력 공급 증가, 충격 하중에 대한 내성 및 낮은 출력 임피던스 등으로 외장형 외골격에 매우 적합합니다. 톱니바퀴 구성과 같은 기존의 "딱딱하거나" 또는 "뻣뻣한" 작동기와는 달리 이 호환 작동기는 사용자가 외부 힘을 가했을 때 자연스럽게 목표 위치에서 벗어날 수 있습니다.

"Artec Eva 3D 스캐너를 사용하면 이러한 모든 매개 변수를 소형의 인체 공학 보조기에 통합시킬 수 있습니다.” Kevin씨가 말합니다.

 

R&MM 연구소에서 피사체의 정강이 3D 스캔

맞춤형 보조기를 만들기 위해 Kevin씨는 먼저 캡처해야 할 영역 (예 : 정강이)을 선택합니다. 그런 다음 그는 보조기를 테스트하게 될 하나 이상의 대상을 선택합니다. 그 대상들을 스캔하여 데이터는 Artec Studio 3D 소프트웨어에서 처리합니다.

" Artec Studio 내에서 스캔으로 .STL 파일을 생성하는 것은 간단한 과정입니다. 중요한 포인트는 고품질 스캔을 수집하고 모델에 구멍을 남기지 않으며 스캔 정렬을 용이하게 하는 것입니다. Sharp Fusion 도구는 스캔을 정확하게 통합하여 최종 모델을 생성합니다. 저는 Artec Studio 소프트웨어가 직관적인 인터페이스와 더불어 과학자와 엔지니어가 웨어러블 로봇 분야의 연구를 수행 할 수 있게 해주는 강력한 도구를 제공한다고 결론을 내렸습니다.” Kevin씨가 말합니다.

 

 

개별 교정용 프로토타입의 디지털 설계

후처리 후, .STL 파일로 딱 맞는 교정 장치를 설계할 수 있도록 CAD 소프트웨어로 내보내집니다. 마지막 단계는 첨가제 제조를 사용하여 보조기를 제작하는 것입니다. 보조기를 3D 인쇄한 후, 탄소 섬유와 에폭시 복합 재료로 보강합니다.

3D 스캐닝과 3D 인쇄를 사용하면 디지털 기록을 파일로 저장할 수 있으므로 석고 몰드를 사용하는 것과는 대조적으로 특히 유용합니다. 디지털 기록은 피사체가 인간을 로봇 디자인에 완전히 통합시킬 수 있게 해주기 때문에 설계 관점에서 이점이 있습니다. 또한 보조 장치의 생산 또는 제조 옵션에 대한 자유를 주어 3D 인쇄와 같은 CAM (컴퓨터 응용 가공, Computer Aided Manufacturing) 기술을 사용할 수 있게 합니다. 이는 잠재적으로 비용을 절감하고 제품의 품질과 적용 가능성을 향상시킬 수 있습니다.

현재 이 디자인의 이점을 확인하기 위한 실험이 진행 중입니다. "이 실험의 목표는 피실험자의 디지털 기록을 기반으로 한 개별 보조기의 효과를 입증하는 것입니다. 언젠가 목표는 외골격이 다른 사람과 더불어 어느 정도는 착용자 자신에게도 거의 보이지 않게 하는 것입니다. 3D 스캐닝 기술은 이를 달성하기 위한 유망한 도구입니다." Kevin 씨가 말합니다.

 

프랑스 툴루즈에 소재한 IMA Solutions SARL의 CEO인 벤자민 모레노(Benjamin Moreno)를 만나보았습니다. IMA Solutions는 3D 스캐닝 및 시각화를 통해서 세계 각지의 유명 미술관을 위해 3D 인터렉티브 시스템과 같은 새로운 멀티미디어 도구를 개발하는 기업입니다. 대영박물관, 아크로폴리스 박물관, 프랑스 북부 도시인 랑스(Lens)에 소재한 루브르 랑스 미술관 등을 주 고객으로 두고 있습니다. 

 

 

벤자민은 Artec의 Eva와 Artec Studio 10을 사용하여 대단히 세밀하고 즉시 인쇄가 가능하도록 제작된 ‘말에 탄 나폴레옹 동상’의 3D 모델을 보여주었습니다. 이 작업은 프랑스 비지유(Vizille)에 위치한 프랑스 혁명 박물관(Musée de la Révolution Française)의 요청에 따라 후대를 위해 동상을 3D 이미지로 보존하고, 엘바 섬에 유배됐던 나폴레옹의 프랑스 귀환 200주년을 기념하기 위해 시행되었습니다. 유명 프랑스 조각가 엠마뉴엘 프레미에(Emmanuel Frémiet)가 1987년에 주조한 이 동상은 프랑스의 도시인 라프리(Laffrey) 근처에 위치해 있습니다.

 

벤자민은 “말을 주제로 한 작품들을 3D로 스캔한 적이 있는데, 매번 ‘다리 모양과 여기저기 숨은 부분이 많기 때문에 말은 스캔하기 가장 어려운 대상물이다’라고 생각했습니다.”라며 다음과 같이 덧붙였습니다. “과거에는 스캐너 암(scanner arm)에 레이저 헤드를 장착하는 등 3D 스캐너를 위한 장비를 추가적으로 사용했습니다. 이제는 언제, 어떤 상황에서도 복잡한 예술작품을 3D로 스캔할 수 있는 기술은 Artec만이 보유하고 있다고 자신있게 말할 수 있습니다.”

벤자민은 Artec의 제품을 판매하는 프랑스 소매회사인 Boreal을 통해 Artec의 Eva 및 Spider 스캐너 제품을 구입하기 이전엔 3D 레이저 스캐너를 사용했었다고 합니다. “이제는 Artec의 Eva와 Spider를 사용하여 과거 사용하던 디지털 시스템과 달리 어떠한 상황에서도 다양한 종류의 작품을 스캔할 수 있고, 박물관 컬렉션을 스캔할 때 문제가 되는 타겟이나 레퍼런스 시스템을 사용하지 않아도 됩니다.”라고 벤자민은 말합니다.

덧붙여, “또한 Artec의 스캐너 제품들은 실시간으로 텍스처까지 표현하는데, 이는 정말 편리한 기능입니다.”라며 이렇게 설명합니다. “이전에는 레이저 스캐너로 물체의 기하학적 3D 구조를 만든 후 여러 번의 촬영을 통해 수작업으로 텍스처를 입혔습니다. 이는 시간도 오래 걸리는 데다 수작업이기 때문에 정밀도 역시 떨어졌습니다. 이제는 텍스처를 완벽하게 포착해서 표면에 맵핑이 가능하게 되었습니다. 획득 시간(acquisition time) 역시 스캔 대상물의 종류에 따라 5배에서 10배까지 짧아졌습니다. 또한 역사적 명작의 경우, Artec 3D 이외의 3D 시스템으로는 스캔이 불가능합니다. 그래서 저는 고객에게 ‘이런 수준의 3D 스캔은 Artec 제품이 출시되기 전엔 불가능했습니다!’라고 말하곤 하죠.”

나폴레옹 동상 스캔 작업에서 벤자민이 추가적으로 필요했던 소품은 바로 대상에 사방으로 접근이 가능한 사다리였고, 박물관 측에서 이를 제공해주었습니다. 그리고 현장에 배터리 팩을 필수로 챙겨갔는데, 대부분 동상의 윗부분을 스캔할 때 사용했습니다. 그리고 대부분은 충전기에 연결해놓은 Eva와 노트북을 사용해 작업했습니다. 벤자민은 “3D 스캐너 작업에서 배터리 관련 문제는 Artec의 배터리가 아니라 노트북 배터리가 더 문제였어요!”라고 말하기도 했습니다.

사실 벤자민은 배터리를 종종 사용하곤 합니다. 일전에 맘모스를 음각한 선사시대의 미술작품을 스캔할 때에도 지하 4미터 깊이까지 내려가야 했기에 배터리를 가지고 가야 했습니다. 벤자민은 “Eva와 배터리 팩을 사용해 현장에서 신속히 3D 스캔작업을 마칠 수 있었습니다.”라고 설명했습니다.

 

 

나폴레옹 동상의 표면적이 다소 넓었으므로 벤자민은 자체적으로 3D 스캐닝 전략을 세웠다며 다음과 같이 설명했습니다. “대상물을 18개 구역으로 분할해서(Artec Studio 10의 프로젝트 개수도 18개) 상당 부분을 겹치는 방식으로 스캔하여 후처리 정렬과정이 용이하도록 했습니다.”

스캔 작업은 총 이틀이 소요되었고 후처리 과정은 57GB 라는 어마어마한 데이터를 처리하기 위해 열흘의 시간이 걸렸습니다. 효율성을 높이기 위해 18번의 스캔 작업들을 각각 1mm 해상도로 세밀한 이미지 융합(Sharp Fusion) 작업을 수행했습니다. 이에 따라 각각 2천 5백만 개의 폴리곤이 생성되었고, 축소(Decimate) 작업을 통해 각 1천 5백만 폴리곤으로 축소했습니다. 그리고는 비강체 정렬(Non-rigid Alignment)과 1mm 설정의 세밀한 이미지 융합(Sharp Fusion) 작업으로 총합 2천만 개의 폴리곤까지 정리했습니다. 마지막으로 텍스처가 들어간 프레임을 적용하여 완성된 3D  모델에 질감을 입히고 Zbrush 프로그램으로 약간의 수정작업을 했습니다.

벤자민은   Artec Studio 10 의 출시 후 가장 먼저 이 업그레이드된 프로그램을 사용한 고객 중 하나입니다. 그는  “AS9 과 AS10 을 비교했을 때, “전체적으로 AS10 의 신뢰성과 속도가 AS9 대비 개선되었지요.” 라고 이야기합니다.

 

 

 

 

 

 

야만적인 행동때문에 불행이 찾아왔지만, 동물 복지 옹호자들, 헌신적인 전문가 그룹 그리고 첨단 3D 기술 덕분에 어린 코스타리카 큰부리새가 인내와 희망의 국가적 상징이 되었습니다.

Grecia라는 이름의 큰부리새는 살고 있던 지역이 청소년들의 습격을 받은 후 큰 부리의 윗부분 중 대부분을 잃었습니다. 다행스럽게도 상처를 입은 새는 발견되어 중앙 아메리카에서 가장 큰 규모의 동물 구호 센터인 인근 Zoo Ave로 이송되었습니다.

 

Grecia의 공격 사건은 여러 대중 매체의 주목을 받았으며 동물 보호 개선을 위해 코스타리카에서 많은 시위와 법안 제안이 일어났습니다. Grecia의 치료를 위해 크라우드 펀딩으로 10,000달러 이상이 모금되었습니다. 

큰부리새를 스캔하는 방법

Grecia의 이야기는 코스타리카 산호세에 위치한 Grupo SG의 주목을 받았습니다. 3D Systems 제품 유통업체인 Grupo SG는 큰부리새의 건강 회복을 돕기 위해 스캔에서 모델링, 프린팅에 이르는 모든 3D 솔루션을 제공했습니다.

Grupo SG는 Thomas Lange와 Karley Fu가 이끄는 팀을 구성하고 기술적 전문 지식을 제공하며 산업 디자인, 치의학, 나노기술 및 동물학 분야의 현지 전문가를 3D System의 세계적인 3D 기술 리소스에 연결했습니다.

큰부리새 위쪽 부리의 나머지 부분이 단단해질 때까지 기다린 후 Grupo SG는 Artec Spider 3D 스캐너를 사용하여 Grecia의 부리와 주변 부위에서 치수와 특징을 캡처했습니다. 그 과정에서 큰부리새는 깨어 있어야 했습니다.

Grupo SG의 영업 담당자인 Esteban Murillo는 “살아 있는 큰부리새를 마취 없이 스캔하는 것은 어려웠습니다. 필요한 모든 데이터를 확실히 확보하기 위해 두세 번 스캔했습니다. 큰부리새는 아주 얌전히 있었지만, 시간이 얼마 남지 않았었죠.”라고 밝혔습니다.

Grupo SG 역시 죽은 큰부리새의 전체 부리를 스캔하여 추가 데이터를 확보했습니다.

3D Systems’ Geomagic® Wrap® software 는 3D 스캔 데이터를 처리하고 수정하여 3D 모델을 얻기 위해 사용되었습니다. 일반적으로 산업용 제품의 3D 검사에 사용되는 Geomagic Control™ 소프트웨어는 측정값을 얻고 기하 형상을 분석하기 위해 사용되었습니다.

새 부리 모델링

Grupo SG는 사진, 문서, 스캔 파일 및 요구 사양을 한국 서울에 있는 3D Systems 모델링 팀의 3D 역설계 전문가인 주영관씨와 공유했습니다.

 

 

주영관 씨는 두 가지 데이터 세트로 작업했습니다. 하나는 Grecia의 부러진 부리를 스캔한 데이터이고 다른 하나는 죽은 큰부리새의 부리 전체를 스캔한 데이터입니다. 첫 번째 단계는 3D Systems의 Geomagic Freeform® 소프트웨어를 사용하여 Grecia에게 잘 맞는 부리를 설계하는 것이었습니다.

Geomagic Freeform은 사용자가 가상의 클레이 모델을 유기적 형상으로 구성된 정밀한 형태로 조형할 수 있도록 합니다. 솔루션에는 실제 클레이로 작업하는 것과 동일하게 직관적인 설계를 얻기 위해 힘 피드백을 제공하는 진정한 3D 인터페이스인 Geomagic® Touch™ X 햅틱 디바이스가 포함됩니다.

주영관씨는 모델을 Geomagic Freeform에서 3D 스캔된 메시 데이터를 CAD 모델로 전환하기 위한 이상적인 솔루션인 Geomagic Design™ X로 보냈습니다. Geomagic Design X는 자동 및 가이드가 제공되는 솔리드 모델 추출, 유기적 3D 스캔에 대한 정확한 표면 맞춤 및 제조 준비가 완료된 설계를 위한 메시 편집과 포인트 클라우드 처리를 제공합니다.

부리를 모델링한 후, 주영관씨는 Grecia의 남은 윗쪽 부리에 인공 부리를 부착하기 위한 캡을 설계했습니다. 이 캡은 Grecia는 아직 성장 중이므로 시간이 지나면서 더 큰 부리를 끼울 수 있고 인공 부리를 세척해야 할 경우 쉽게 제거할 수 있도록 설계되었습니다.

 

 

주영관씨는 설계 작업이 완료되기까지 두 달이 걸렸으나 여러 버전의 부리와 약간의 수정에 걸린 실제 소요 시간은 십 여 시간에 불과했다고 말합니다.

Joo는 "Geomagic Design X의 강력한 파라메트릭 모델러 기능을 활용하여 시간을 절약했습니다. Design X에 포함된 명령은 스캔 데이터에서 정확한 고품질 표면을 손쉽고 빠르게 얻을 수 있도록 적절하게 사용자 정의가 되어 있습니다. 또한 창조적인 설계 작업을 위해 일반 CAD 모델링을 할 수도 있습니다.”라고 말했습니다.

 

 

적합한 소재 선택

인공 부리 제작에 대한 협력에는 미국의 3D Systems 소재 전문가 2명도 합류했습니다. 시애틀 지역 글로벌 소재 판매 및 마케팅 부서의 부사장인 Steve Hanna와 Rock Hill, S.C에 위치한 3D Systems 본사의 소재 및 프로세스 부문 R&D 수석 이사 디렉터인 Khalil Moussa입니다.

Hanna와 Moussa는 실제 큰부리새 부리의 특성과 코스타리카에 있는 전문가가 제공한 부하율을 연구하고 프린터 및 소재에 대한 권장 사양을 제시했습니다.

Grupo SG와 Moussa는 초기 원형을 CubePro Nylon 소재로 실험한 후 최종 버전에서는 Duraform PA로 결정했습니다. Duraform PA은 견고한 나일론 소재로, Grecia가 깃털을 고르고 물을 마시며 음식을 먹기에 적합한 강도와 내구성을 제공하기 위해 선택된 소재입니다.

최종 프린팅은 Rock Hill의 본사에서 고정밀도, 내구성 및 품질을 제공하는 우수한 파트 제작으로 유명한 3D Systems ProX™ 500 SLS 프린터에서 진행되었습니다. ProX 500과 Duraform PA은 항공우주 부품 및 생체적합성 의료용 장치에 널리 사용됩니다.

“두 번째 삶의 기회”

3D 프린트된 캡과 인공 부리는 Grecia의 수술을 위해 코스타리카로 배송되었습니다. 캡은 큰부리새의 남은 부리에 에폭시 접착제로 부착되었고 인공 부리는 핀 고정식 핀지를 사용하여 고정되었습니다. 동물관리 팀은 Grecia의 비극과 회복을 기억하기 위한 의미로 부리에 색을 칠하지 않았습니다.

 

 

Grecia는 새 인공 부리에 매우 빠르게 적응했습니다. 수 일 내로, Grecia는 스스로 깃털고르기를 하고 정상적으로 먹고 마시게 되었습니다. 심지어 인공 부리를 달기 전보다 더 노래를 잘하게 되었다고 Zoo Ave는 말했습니다.

Grupo SG의 경우, 인공 부리는 기술력을 증명하는 주요한 성과일 뿐만 아니라 국가 전체에 널리 알려지는 자부심을 불러일으키는 원천이 되었습니다.

Karley Fu는 “코스타리카 국민이 크고 분명하게 목소리를 냈고 우리는 이 아름답고 지각 있는 새에게 두 번째 삶을 살아갈 기회를 준 이 팀의 일원이 되는 영광을 누렸다”며 “훌륭한 인물과 재능 있는 전문가로 구성된 팀이 최신 3D 기술을 사용하여 이전에 보지 못한 사랑을 실천한 것”이라고 말했습니다.