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Fosters+Partners의 ARD 팀이 수행한 복합재료 변형 연구이다. 2017년 Autodesk사와의 협력 연구이다. 건축에서 생태모방공학적 적용이 가능하도록 하는 연구이다. 즉, 외부 기계적 힘에 의한 것이 아닌, 유기체적으로 온도와 빛, 습도 등의 물리적 환경에 대한 변형에 관한 연구이다. 복합소재가 주변 물리적 환경의 변화에 따라 팽창률과 수축률 차이에 의하여 그 형태가 변화하며, 이 변화를 이해하고 활용하기 위한 연구이다. 복합재의 형태학적 변형이 주된 관심사이며, 복합소재를 원하는 방식으로 제어를 하기 위한 연구이다.

문제는 복합소재들의 변형은 외부 조건에 비선형적 변화를 한다는 것이다. 다양한 다층 복합소재의 변형을 시뮬레이션 한다는 것은 많은 시간의 계산을 필요로 한다. 즉시적 변형에 대한 예측을 하기 위한 빠른 방법으로, 기계학습을 사용하는 모델 구축에 관한 연구이다.

우선 시스템 학습을 위하여 우선 합성 데이터 세트의 작성이 필요하였다. 수백 개의 다른 합성재를 만들고, 이들의 변형을 예측하는 시뮬레이션 모델을 만들었다. 이 모델을 이용하여, 재료별 변형에 관한 데이터 세트를 만들었다. 이 데이터를 이용하여 서로 경쟁하는 두 개 인공 신경망 학습에 사용하였다. 즉, GAN(Generative Adversarial Network) 학습 모델을 사용하고 있다. 

하나의 학습 신경망은 이들 데이터 세트를 이용하여 학습을 진행하고, 그 학습에 의한 결과를 다른 학습 신경망에 보낸다. 후자의 신경망을 이를 평가하고 이를 전자의 학습 신경망의 학습 개선에 사용할 수 있도록 피드백 한다. 이 순환적이며 적대적 과정을 통하여 학습이 진행되며, 결국, 두 학습 신경망의 개선이 이루어질 수 없는 상태에 이르게 된다. 

이와 같은 과정을 거친 학습 이후, 시스템은 원하는 변형을 만들어 낼 수 복합설계 소재 설계에 이용하고 있다. 현재 변형 상태를 만들기 위한 복합소재를 선택하는 방식이 아닌, 원하는 변형 상태를 설계하고, 이를 실현하기 위한 복합소재를 설계하는 방식으로 사용되고 있다.

참고 논문 첨부: Design of thermally deformable laminates using machine learning

환경단체 A Plastic Planet은 건축가와 디자이너들이 자신들의 프로젝트에 플라스틱이 아닌 대안적 자료를 선택할 수 있는 데이터베이스를 온라인으로 제공하기 시작하였다. 온라인 구독 서비스로 100개 이상의 플라스틱 제품에 대한 상세한 보고서를 볼 수 있다. 이 보고서에는 제품이 속성, 생산과 원산지 등의 내용을 포함하고 있다. 이 재료 라이브러리는, 이들 재료를 사용한 전세계의 사례들 또한 볼 수 있도록 구성되어져 있다. A Plastic Planet은 이와 같은 노력으로 2023년까지 1억톤이 만들어지는 현실을 바로잡고자 하고 있다.

   이 플랫폼은 2년이 넘는 연구 개발 기간과 40여개 과학자와 산업체, 그리고 건축가와 디자이너들이 함께하여 개발하여 왔다. 재료에 관한 정보에 대하여는 디자이너들이 가질 수 있는 재료에 대한 모든 것을 담고자 하고 있다. 시장에서 손쉽게 구할 수 있는지 여부와 재활용 제품들과 함께 사용될 수 있는지 등의 내용으로, 이는 재료 생산자에게 요구하는 제품의 특성이기도 하다.

PlasticFree 데이터베이스는 지속적으로 업데이트가 되고 다. 가장 많이 사용되고 있는 건물 및 시공에 사용되는 재료들에 관한 주오 정보를 담고 있다. 새로운 천연재료로 대나무와 코르크, 감자 전분을 이용한 필름, 그리고 이끼 성분의 잉크 등을 소개하고 있다. 또한 바이오 플라스틱 제품이나 재활용 제품 들 또한 소개하고 있다.

참고문헌

소금으로 불리는 염화나트륨은 매우 흔한 재료이다. 널리 사용되고, 자연 상태로 풍부하며, 식품을 보관하며, 도로의 제빙을 도우며, 다양한 산업에 사용된다. 매우 높은 가치를 지닌 물질이다. 이 재료의 물리적, 기계적, 미적 특성에 대한 연구와 관심은 덜한 편이다. 그러나 그 잠재력은 무한하다. 생명을 유지시킬 수 있으며, 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며, 항균성이 있고, 화재에 강하며, 습기와 열을 저장할 수 있으며, 빛을 반사하고 확산시키는 성능이 있다.

   건축 산업에서 자원 효율성 개선의 주요 과제로 희귀 천연자원 사용 재료를 대체하는 것이다. 소금은  다양한 성능을 가지고 있으며, 여러 방면에서 사용 가능하다. 소금은 미래 소재로 가능성이 높다. 그러나 건축 자재로 사용되기 위하여는 극복하여야할 물리적 특성이 있다. 소금은 자연적으로 수분을 흡수하며, 물과 바람에 침식되기 쉽고, 또한 금속 자재에 부식을 일으킬 수 있다. 이와 같은 문제는 성능 개선을 하여야 한다는 것을 의미하며, 어떠한 용도로 사용될 수 있는 기회를 엿보지 못한다는 것은 아니다.

   소금은 나트륨과 염소이온 합성물로, 불에 용해될 때 분리되어 물 분자로 둘러 쌓인다. 믈이 증발하면, 이온이 가까워져 격자 구조를 만들어 소금결정이 형성된다. 결정은 해수의 증발로부터, 화학반응에 이르기까지 다양한 방식으로 진행된다. 인구 증가와 생활수준의 향상에 따라 해수 담수화와 칼륨 채굴 과정에서 폐기물로 만들어지는 소금의 양이 크게 증가하여 재료는 매우 풍부한 현실이다.

   놀라운 사실은 세계 일부 지역에서 수 세기 동안 천연상태, 합성 형태, 가공형태로 소금을 건축자재로 사용하여 왔다는 것이다. 소금 블록으로 지어진 호텔, 현지 소금으로 만든 식당, 소금결정 성장을 가속화 하기 위한 금속프레임이 있는 미완성 파빌리온도 있다. 지난 10년 동안 유연한 벽패널과 건물 외피 프로토타입에 사용하기 위하여 소금과 전분을 혼합한 물질로 3D 프린터를 이용한 경우 등 다양한 최신 사례도 있다.

   한 걸은 더 나아가, 지역 소금산업을 강화하기 위하여 소금 결정화 공정을 개발하고 있는 실험실이 있다. 프랑스 남부 Luma Arles 캠퍼스에 있는 Atelier Luma는 소금 결정화 작업을 위한 새로운 방법을 개발하고 있다. 이 프로젝트는 건축 및 디자인 분야에서 지속가능한 재료로서의 사용 가능성을 염두에 두고 있다. 소금을 고부가가치 물질로 만드는 것을 목표로 연구개발을 진행하고 있다.

   프랑스 남부 Camargue 강은 염수가 흐르며, 과거로부터 소금 생산에 사용되고 있다. 2017년 Atelier Luma는 지역 소금을 이용하여 결정화 공장을 운영하고 있다. 이 공장에서는 지역 소금의 물리적 그리고 미적 특성을 보여주는 재료를 개발하였다. 맞춤형 프레임을 사용하여, 염전에서 사용하는 자연 결정화 과정으로 소금 패널을 생산하기 시작하였다. 디자이너 Henna Burney와 Karlijn Sibbel은 소금 결정을 금속 매쉬에서 성장시키는 방법을 개발하였다. 바람, 비, 온도, 물의 흐름, 습도와 같은 외부 조건이 소금 결정화 과정에 어떤 영향을 미치는지에 대한 심층 연구를 수행을 통하여 진행하였다.

   소금패널은 관리 가능한 형태로 결정을 만들어 내는 것이다. 현재는 정사각형 패널 형태로 만들고 있다. 자연적으로 풍부한 이 재료를 건축에 적용하기 위하여 4,000개의 패널로 만들어 Luma Arles에 있는 프랭크 개리 설계의 타워에 유리 형식의 부착시스템으로 사용하였다. 456m2 면적에 ‘소금의 벽’ 프로젝트는 첫 대규모 적용 사례이다.

   이 재료의 선택은 소금이 자연적 불연성 소재이기 때문이기도 하다. 이는 지역에서 사용할 수 있는 천연재료의 요건이기도 하다.  또한 결정화 과정은 탄소중립적 과정으로 매우 친환경적이다. 태양 에너지로 결정화를 하는 생산은 환경에 부정적 영향을 미치지 않는다. 구조 설계를 통해 필요시 각 패널을 제거 교체할 수 있도록 하고 있다. 손상된 경우 결정화 공장의 염수에 다시 넣어 재결정화를 통한 복원이 가능하다.  연구를 통해 조건에 따라 열 부하를 줄이며, 내화성 성질을 가지며, 아름다우며, 지속가능한 혁신적 방식임을 보여주고 있다.

참고문헌

이 글은 ArchDaily의 기사를 번안한 내용입니다.