CSUSB, 한 학기 동안 Artec Studio Lite를 활용한 운동학 강좌 개설

대학교 마스코트인 “코디 더 코요테(Cody the Coyote)”와 함께 포즈를 취하고 있는 CSUSB 운동학 전공 학생들. 이미지 제공: CSUSB

캘리포니아 주립대학교 샌버나디노 캠퍼스(CSUSB)의 운동학 전공 학생들은 남부 캘리포니아 인랜드 엠파이어 지역의 중심부에서 최첨단 장비를 활용한 실험실 실습을 통해 인체의 움직임, 운동, 건강 및 신체 능력을 연구합니다.

생체역학부터 운동생리학에 이르기까지, CSUSB는 물리치료 및 작업치료 분야의 미래 진로를 준비하기에 더할 나위 없이 훌륭한 곳입니다. 하지만 기술 세계는 멈춰 있지 않으며 생리학을 분석하는 새로운 방법들이 끊임없이 개발되고 있습니다. 특히 창의적인 사고가 적극적으로 장려되는 학계에서는 더욱 그렇습니다.

전문적인 3D 스캐닝이 바로 그러한 접근 방식 중 하나입니다. Artec Spider II와 같은 스캐너를 사용하면 인체 해부학적 구조를 디지털로 측정하여 평가, 형태학적 추적, 수술 계획 수립 등에 활용할 수 있습니다. 그러나 예산이 빠듯한 교수진에게는 이 기술을 항상 이용하기 어려운 경우가 있습니다.

강의실에서 실습 시험을 치르고 있는 운동학 전공 학생들. 이미지 제공: CSUSB

교육자들이 모든 학생에게 제공할 수 있는 저렴한 대안 중 하나는 Artec Studio Lite입니다. 이 소프트웨어는 사진이나 동영상(스마트폰으로 촬영한 것까지 포함)을 실물과 같은 3D 모델로 변환해 줍니다. CSUSB의 Cameron Van Wye 교수는 운동학 분야에서 이 기술의 실용성을 검증하기 위해 자신의 "Kine 2400 운동학에서의 기술 응용" 수업을 개설하고, 독창적인 상호작용형 학습이 이루어지는 한 학기를 진행했습니다.

Cameron 교수는 “운동학자로서 저는 놀이가 우리가 가진 최고의 교육 도구 중 하나라고 믿으며, 이러한 믿음이 이 강좌의 진행 방식을 완전히 바꿔놓았습니다. 저는 강의 중심의 수업 방식에서 벗어나, 프로젝트 중심이자 학생 중심의 교육 방식으로 전환했습니다. 이러한 변화의 핵심은 전문적인 3D 소프트웨어를 학습 환경에 도입하는 것입니다.”라고 설명했습니다.

그는 “이것은 단순히 멋진 기술을 사용하는 것이 아니라, 학생들이 해부학, 기하학, 인체의 변화와 같은 실제 개념에 몰입하도록 돕는 것입니다. 제가 가장 좋아하는 점은 이러한 기술을 사용하면 학생들이 스스로 주도적으로 학습할 수 있다는 점입니다. 학생들은 자신의 관심사를 따라가고, 가설을 검증하며, 도구를 활용해 자신을 표현할 수 있습니다. 이러한 환경은 호기심을 자극합니다. 학습은 감각적이고 창의적이며 자기 주도적으로 이루어집니다.”라고 덧붙였습니다.

강의실에서의 Artec Studio Lite 활용

Cameron 교수는 학생들이 이 기술에 빠르게 적응할 수 있도록 교육 과정을 두 단계로 구성했습니다. 첫 번째는 강의실 기반 연구 프로젝트였고, 두 번째는 적응형 의료기기 프로토타입 3D 프린팅을 활용한 실습 위주의 단계입니다. 학생들은 타당성 조사부터 시작했는데, 이는 Artec Studio Lite의 성능을 평가하기 위함이 아니라, 이 기술이 학생들의 학습을 돕고 체성분 분석을 가능하게 할 수 있는지 확인하기 위해서였습니다.

이 애플리케이션을 검증하기 위해, 20명의 자원자를 대상으로 전통적인 굴릭(Gulick) 줄자를 사용하여 상복부, 중복부, 허리, 엉덩이 부위의 치수를 측정한 뒤, 사진측량으로 데이터를 캡처했습니다. 학생들은 최상의 결과를 얻기 위해 조명을 고르게 유지했으며, 초기 단계에서는 Artec Studio Lite에 기본으로 제공되는 스케일 바를 활용하여 최종 모델을 실제 크기에 맞춰(따라서 측정 가능하도록) 제작했습니다.

사진측량 프로젝트를 위해 사진을 찍고 있는 자원자. 이미지 제공: CSUSB

학생들은 결국 Autodesk Fusion으로 설계된 3D 프린팅 스케일 바와 자원자들이 착용하여 특정 해부학적 부위에 집중할 수 있는 “가짜 문신”을 활용했습니다. 흥미롭게도 사진은 고성능 카메라와 스마트폰 모두로 촬영되었는데, 스마트폰이 더 빠르고 사용하기 쉬운 것으로 나타났으며, 그 결과 정확한 3D 모델을 생성하기에 충분한 데이터를 얻을 수 있었습니다.

기존 방식으로 측정된 결과와 비교했을 때, 이러한 디지털 트윈은 치수적으로 매우 가까운 것으로 확인되어 연구팀은 Artec Studio Lite가 응용 운동학 도구로서 큰 잠재력을 가지고 있다고 평가했습니다. 하지만 어쩌면 더 중요한 점은 학생들이 이 기술이 직관적이고 생리학을 분석하는 방법을 스스로 학습하는 데 효과적이라고 느꼈다는 사실입니다.

Cameron 교수의 강좌를 듣는 학생인 Kayla Miller는 “수업이 시작되기 2주 전까지만 해도 이런 게 있는지도 몰랐어요. 처음에는 '와, 3D 프린팅으로 의수족이나 보조기를 만들 수 있다니 정말 멋지네!'라고 생각했죠. 네, 정말 놀라웠습니다. 이런 기술이 실제로 존재한다는 게 믿기지 않습니다."라고 말했습니다.

Artec Studio Lite에서 3D 재구성을 하기 위해 보조 장치를 캡처하는 학생들. 이미지 제공: CSUSB

Cameron 교수의 강좌를 듣는 또 다른 학생인 Brianna Griffin은 “정말 환상적입니다. 전 항상 인체 해부학을 공부하는 걸 좋아했습니다. 인체 해부학과 무언가를 만드는 것을 결합할 수 있다는 건 정말 멋지다고 생각합니다. Cameron 교수님이 수업 시간에 할 과제를 내주셨는데, 그 덕분에 제 시야가 엄청나게 넓어졌습니다. 그리고 나중에 그걸 가지고 이것저것 해볼 수 있어서 정말 재미있었습니다. 3D 프린팅은 인체를 이해하는 데 큰 도움이 된다고 생각합니다.”라고 덧붙였습니다.

맞춤 제작 3D 프린팅 적응형 보조 장치

이 강좌의 두 번째 부분은 인간 중심 설계에 중점을 두었습니다. 학생들은 자원자들과 협력하여 삶의 질을 향상하기 위한 개별적인 요구 사항을 파악하고, Artec Studio Lite 3D 모델을 바탕으로 최종 사용이 가능한 장치들을 3D 프린트했습니다. 처음에는 지도를 받으며 작업을 시작했으나, 얼마 지나지 않아 더욱 자율적으로 작업하게 되었고, 몇 가지 뛰어난 성과를 거두었습니다.

발목-발 보조기(AFO)

한 자원자를 위해 학생들은 발목과 발의 위치, 안정성 및 기능적 움직임을 개선하도록 설계된 맞춤형 하지 지지 장치를 개발했습니다. 학생들은 절단 부위 사진을 촬영하고 피부에 안전한 마커를 사용하여 Artec Studio Lite가 중첩된 이미지를 인식하고 해부학적 구조를 높은 정확도로 재구성할 수 있게 한 뒤, 생성된 모델을 STL 파일로 내보냈습니다.

학생들이 제작한 발목-발 보조기 장치 프로토타입. 이미지 제공: CSUSB

팀은 Meshmixer에서 수동 측정값을 기준으로 메시를 검증하고, 정리 작업을 거친 뒤, 종아리와 발의 주요 지지 부위에 오프셋 “쉘(shell)”을 생성하여 보조기를 설계했습니다. 이 쉘들을 서로 연결하여 보조기 구조를 완성함으로써 학생들은 스마트폰으로 촬영한 스캔 데이터에서 맞춤형 보조 장치까지의 전 과정을 구현하여 해부학적 데이터 캡처부터 적층 제조에 이르는 완전한 디지털 워크플로를 보여주었습니다.

팔 연장 장치

연골무형성증과 같은 다양한 형태의 왜소증은 긴 뼈의 성장 이상으로 인해 신장이 불균형하게 작고 팔다리가 짧아지는 특징을 보입니다. 학생들은 팔 연장 프로젝트의 일환으로 이를 돕기 위한 맞춤형 보조 장치를 개발했습니다.

이 장치는 팔을 뻗을 수 있는 거리를 확장하고 하중을 분산시키는 도구로 설계되었으며, 손목, 손, 어깨를 불편한 자세로 만들지 않도록 운동기구의 손잡이에 부착됩니다. 프로토타입을 맞춤 제작하기 위해, 팀은 갈고리 형태의 손잡이를 장착했습니다.

반 친구들에게 팔 확장 장치를 소개하는 학생들. 이미지 제공: CSUSB

팀은 이번에는 스마트폰으로 동영상을 촬영했습니다. Artec Studio Lite에서 사진을 추출하고 이어 붙여 모델을 만든 다음, 이를 Autodesk Fusion에서 설계, 치수 조정 및 정렬을 위한 기준으로 활용했습니다. 그렇게 완성된 장치를 3D 프린팅으로 제작하여 미끄러짐, 휘어짐, 파손 없이 다양한 운동 동작에 대해 성능 테스트를 성공적으로 마쳤습니다.

하지 의족

이 프로젝트에서는 회전 플랫폼 위에 하지 몰드를 올려놓고 4K 스마트폰을 사용하여 디지털화했습니다. Artec Studio Lite에서 데이터를 처리하여 소켓 설계의 기초가 되는 3D 모델을 생성했습니다. 스캔 데이터를 Meshmixer로 가져와 정리, 다듬기, 평활화 작업을 수행하고 구멍이나 왜곡 여부를 확인했으며, 하지 길이, 너비, 소켓 개구부 크기, 윤곽선 등 측정값을 활용하여 해부학적 정확도를 유지했습니다.

학생들이 디자인한 하지 의족 프로토타입. 이미지 제공: CSUSB

최종 프로토타입은 사지 모양, 벽 두께, 둥근 모서리, 압력에 민감한 부위, 편안함 및 구조적 지지력을 모두 고려하여 설계되었습니다. 팀은 실제 절단 부위 대신 틀을 사용했지만, 이번 프로젝트의 성과를 통해 스캐닝 및 제작이 기존의 석고 주조 방식에 비해 더 빠르고, 번거로움이 적으며, 맞춤형으로 제작할 수 있는 대안이 될 수 있음을 확인할 수 있었습니다.

무릎 헤일로(halo) 보호 보조기

무릎뼈 바로 아래 뼈 부위에 영향을 미치는 오스굿-슐라터 병을 앓고 있는 한 자원자를 돕기 위해, 학생들은 맞춤형 보호용 보조기를 설계했습니다. 목표는 통증이 있는 돌출 부위에 직접적인 압력을 가하지 않으면서 신체 활동 중 해당 부위를 보호하는 것이었으며, 이는 무릎 표면 해부학에 대한 정확한 지식이 요구되는 설계상의 과제였습니다.

팀은 Artec Studio Lite를 사용하여 무릎의 앞쪽, 안쪽, 바깥쪽 부근에서 촬영한 동영상 데이터를 처리해 디지털 해부학적 모델을 생성했습니다. 이 모델을 바탕으로 장치의 예상 크기, 모양 및 적용 범위를 보여주는 모형 오버레이를 제작했습니다.

학생들이 제작한 무릎 헤일로 보조기의 3D 모델. 이미지 제공: CSUSB

Autodesk Fusion으로 개발한 최종 설계는 손상 부위 위에 공간을 확보하는 도넛 모양의 완충 영역과 외부 힘을 주변 조직으로 분산시키는 돌출형 교량 구조를 특징으로 합니다. 다음 단계로 학생들은 충격 보호 기능을 강화하고 내구성을 높이기 위한 이상적인 소재로 발포 TPU를 선택했습니다.

"절단부 승강(Stump climbing)" 보조 장치

마지막으로, 학생들이 진행한 가장 독창적인 프로젝트 중 하나로 상지 절단 장애를 가진 자원자를 위해 저렴하면서도 특정 활동에 특화된 등반 보조 장치를 설계했습니다. 학생들은 이전에는 접지력을 높이기 위해 반려견용 부츠를 개조해 임시로 사용했었지만, 팀은 작은 틈새와 등반 표면을 잡을 수 있는 갈고리 모양의 부속 장치를 장착해 해당 작업에 더 적합한 장치를 개발하기로 했습니다.

학생들이 개발한 등반 보조 장치의 스크린샷. 이미지 제공: CSUSB

학생들은 추적 및 재구성 정확도를 높이기 위해 임시 문신을 부착한 뒤, Artec Studio Lite에서 데이터를 처리했습니다. Meshmixer에서 손목과 팔다리 접촉 부위를 분할하고 오프셋을 생성한 다음, 벽면 그립력을 높이기 위해 손가락 모양의 고리를 추가했습니다. PETG 소재로 출력된 최종 장치는 의수족이 다양한 작업이나 취미 활동에 맞춰 얼마나 쉽게 맞춤 제작될 수 있는지를 보여줍니다.

몰입형 학습에 대한 효과 입증

Cameron 교수의 실습 중심 디지털 설계 접근법을 통해 학생들이 단순히 신기술을 수동적으로 접하는 데 그치지 않고, 실제 상황에서 문제를 해결하는 능력을 기를 수 있게 되었습니다. 강좌를 통해 학생들은 실험실 환경 최적화, 피험자 위치 설정, 표면 표시, 척도 참조 방법 등을 배웠으며, 이 모든 요소는 향후 생리학을 분석할 때 필요할 수 있습니다.

이러한 새로운 기술을 개발하는 과정에서 학생들은 의료 분야에서 주목받고 있는 또 다른 기술인 3D 프린팅을 활용해 실제 현장에서 적용 가능한 의료 기기를 설계했을 뿐만 아니라, Artec Studio Lite와 같은 사진측량 소프트웨어가 첨단 산업 현장용 도구를 저렴한 비용으로 강의실에 도입할 수 있는 잠재력을 보여주기도 했습니다.

Cameron 교수는 “2026년 봄 학기 동안 펼쳐진 일은 정말로 흔치 않은 일이었습니다. 호기심과 창의성, 협력이 어우러져 주 2회, 1시간씩 진행되던 수업을 단순한 강좌 그 이상의 것으로 바꾸어 놓았습니다. 그것은 모두가 공유하는 경험이 되었습니다.

그 순간들 속에서, 가르침과 영감 사이의 경계는 완전히 사라졌고, 남은 것은 학생 한 명 한 명과 함께 의미 있는 무언가를, 더 밝은 미래를 만들어가고 있다는 확실한 느낌이었습니다.”라고 덧붙였습니다.