적층 제조 분야의 산업 분석가로서 우리는 5년 또는 10년에 걸쳐 3D 프린팅 기술의 진화 추세를 예측하기 위해 노력하고 있다. 언론인으로서 때때로 우리는 50년 또는 100년 후에 일어날 일을 상상하면서 미래를 더 멀리 모험한다. 미리 설정된 시간 제한없이 그 이상을 살펴보면 어떨까? 그런 다음 궁극적으로 일어날 수 있는 일과 불가능한 일을 이해하기 위해 과학자와 이야기해야 한다. 이것이 우리가 옥스포드 대학 물리학과의 연구원인 끼아라 말레토(Chiara Marletto)를 인터뷰할 수 있는 특별한 기회를 가졌을 때 한 일이다.

말레토(Marletto) 교수는 이론 물리학자이며, 그녀의 연구는 양자 계산 이론, 정보 이론, 열역학, 응축 물질 물리학 및 양자 생물학에 중점을 둔다.

그녀는 최근 The Science of Can과 Can’t라는 책을 출판했다. 이것은 최근에 제안된 정보의 양자 이론(구성자 이론)의 일반화를 활용하는 그녀의 최근 연구에 기반하여 물리학에서 제어 및 인과 관계 이론의 기초에 있는 문제를 해결한다.

이 책에서 그녀는 또한 오늘날 3D프린터의 궁극적인 진화를 나타낼 수 있는 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)의 개념을 탐구한다. “이 책의 주요 부분은 아니다”고 Marletto 교수는 말한다. 그러나 그것은 반 사실의 과학 – 할 수 있는 것과 할 수 없는 것의 과학 – 일반적으로 '생성자 이론'이라고 불리는 보편적인 생성자의 이론이다.”

그러나 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)는 정확히 무엇일까? 오늘날의 3D프린터와 어떤 관련이 있을까? 떠오르는 한 가지 가능성은 원자 수준에서 물체를 조립하는 기계인 가상의 스타트렉 시리즈에 설명된 "복합기"와 같은 것이다. 어떤 면에서는 그렇다. 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)는 1950년대에 물리학자이자 수학자 인 John von Neumann이 보편적인 Turing 기계, 즉 보편적 컴퓨터의 개념을 일반화하기 위해 이론적 모델로 제안했다. “유니버설 컴퓨터는 물리적으로 가능한 모든 계산을 수행하도록 프로그래밍 할 수 있는 기계이다. Marletto는 설명한다. 반면에 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)는 물리적으로 허용되는 모든 변환을 수행할 수 있는 기계이다. 특히 von Neumann은 자가 재생산이 가능한 세포의 행동을 모방하기 위해이를 고안했다.”

유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)가 3D프린터와 공유하는 요소 중 하나는 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)의 특징 중 하나이기도 하다. 초기 RepRap 3D 프린팅 운동에 영감을 주며 계속해서 3D프린터를 정의하는 복제품을 만들 수 있다는 것이다. 최고 산업 수준에서도 새 프린터 용 부품을 만들 수 있다.

또 다른 핵심 개념은 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)가 에너지 및/또는 원자재뿐만 아니라 지식도 필요하다는 것이다. Marletto 교수가 설명했다. 소프트웨어 프로그램에 포함된 특정 유형의 정보이며 범용 컴퓨팅 기계에 입력해야 한다. 원하는 계산을 수행할 수 있도록 범용 생성자에게도 제공된다. 다음 질문은 이 모든 요소 (에너지/재료 및 지식)가 충분하다면 무엇이든 만들 수 있는 3D프린터를 만들 수 있을까?

Marletto 교수는“우리는 현재 범용 생성자에 대한 완전한 이론을 가지고 있지 않다. 따라서 귀하의 질문에 정확한 답이 없다. 많은 것은 우주에서 이용할 수 있는 자원과 우리 물리적 법칙의 다른 측면에 달려 있다. 그러나 우리는 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)의 창조를 막는 물리적 법칙이 없다고 말할 수 있다.” 다시 말해, 오늘날 우리가 이해하는 물리학의 법칙은 무엇이든 생산할 수 있는 기계의 창조를 허용한다. 이 작업을 수행하는 것이 현재의 기술 능력과 엄청나게 복잡하다는 사실이 불가능하다는 것을 의미하지는 않는다. 예를 들어 에너지 보존 원칙에 의해 방지되는 영구 운동 기계를 만드는 것이다.

예를 들어, Marletto 교수는 추가한다. 열역학 이론은 임의의 정확한 열 엔진의 구성에 제한이 없다고 말하며 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)에 대한 이러한 예측도 생성하고 싶다. 우리는 생성자 이론이 완성되었을 때 보편적인 생성자를 가질 수 있는지 여부와 그 레퍼토리에 있는 변형이 무엇인지를 나타내는 일련의 물리적 원리를 정말로 갖고 싶다.”

3D프린터가 궁극적으로 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)로 진화할 수 있는지 여부는 알 수 없지만, 그렇게 할 수 없다고 말하는 물리학은 없다. 어느 쪽이든 오늘날의 초기 3D프린터에서 무엇이든 만들 수 있는 기계로 우리를 데려가는 진화 과정을 상상할 수 있다. Marletto 교수는 다음과 같이 동의한다. “유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)의 최종 실현에는 보편적이지는 않지만 이전 세대보다 약간 더 잘 작동하는 대략적인 생성자를 구성할 수 있는 능력이 있는 불완전한 생성자의 생성이 필요하다. 불완전하게 복제하는 유기체가 수시로 더 나은 버전을 만들 수 있는 방법에 대한이 메커니즘은 찰스 다윈(Charles Darwin)의 자연 선택 이론에 이미 설명되어 있다. 점진적으로 진행되는 문명 내 기술 진화의 맥락에서 유사한 메커니즘이 발생한다. Turing의 이론적 제안에서 시작하여 컴퓨팅 기계의 진화를 생각해보자.

3D프린터에서 생성된 가장 최적화된 모양은 종종 격자 및 프랙탈과 같은 "자연적인 형태"를 복제한다는 사실은 이들이 진화할 것임을 나타내는 또 다른 핵심 요소일 수 있다. 그들은 자연적 형태를 복제할 뿐만 아니라 궁극적으로 자기 재생산 및 자연 선택과 같은 자연적 과정을 복제할 수도 있다.

오늘날의 3D프린터는 크기와 속도뿐만 아니라 정밀도 측면에서도 진화하고 있다. 해상도가 점점 더 정확해짐에 따라 가장 기본적인 규모의 물질 조립은 양자 역학의 복잡성을 벗어날 수 없다. 오늘날 대부분의 3D프린터는 10~100 마이크론의 복셀로 작동하지만 일부는 이미 나노 미터 규모에 도달할 수 있다. 그리고 양자 효과는 이미 작용할 수 있다.

“자발적 양자 효과는 일반적으로 원자 또는 아 원자 규모에 국한된다.”라고 Marletto 교수는 지적한다. “그러나 메조 스코픽 스케일에 양자 효과를 유도할 수 있는 기술이 있다. 예를 들어, 풀러렌과 같은 복잡한 분자에 관한 간섭계 표현을 고려하라. 양자 효과를 사용하여 고전적인 물리적 프로세스의 효율성을 향상시킬 수 있는 규모와 관련하여 양자 이론에 의해 설정된 제한은 없다. 예를 들어, 생물이 양자 효과를 사용하여 더 효율적으로 기능할 가능성이 연구되는 양자 생물학의 경우를 생각해보라. 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor)내에서도 양자 효과를 사용하는 방법을 상상할 수 있다.”

양자 효과에 들어가기 전에도 3D프린터는 거시적 규모의 물리학과 그 한계를 항상 처리해야한다. 예를 들어, 열 관리, 기계적 움직임, 분말 및 액체 물리학 또는 레이저 및 적외선 복사와 같은 에너지 원의 물리학의 관점에서 생성자 이론과 과학은 이러한 문제를 해결할 수 있는 실용적인 틀을 제공할 수 있을까?

Marletto 교수는 그렇게 생각한다. “생성자 이론의 법칙은 기본 물리학의 모든 법칙과 마찬가지로 보편적이다. 그녀는 확인한다. 따라서 이들은 입자와 같은 기본 시스템에 적용되고 점점 더 복잡해지고 있는 기본 입자 집합체에도 적용된다. 따라서 컴퓨터나 살아있는 유기체와 같은 물체에도 적용된다.” 교수의 책을 읽으면 Constructor Theory가 특히 경계를 넘나드는 적층 제조와 같이 혁신이 풍부하고 빠르게 진화하는 산업 부문에서 창의성과 혁신의 지평을 넓히는 데 도움이 될 수 있다는 인상을 받는다.

3D프린팅이 계속 발전함에 따라 고려해야 할 또 다른 실용적인 측면은 프로세스 시뮬레이션 (및 모니터링)이다. 산업용 3D프린터는 점점 더 강력한 컴퓨터로 처리해야하는 엄청난 양의 디지털 데이터를 생성한다. Marletto 교수는 이것이 미래의 범용 양자 컴퓨터에 이상적인 작업이 될 수 있다는 데 동의한다. “유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor) 기술이 구현되면 데이터를 관리하고 생성자가 작동하는 데 필요한 계산을 수행하기 위해 양자 범용 컴퓨터를 사용할 것이다.”라고 그녀는 설명한다.

 Babbage의 분석 엔진은 범용 클래식 컴퓨터였다. 유니버설 생성자가 존재할 수 있는지에 대한 질문은 생성자 이론에서 큰 관심을 끌고 있다. 

이론 물리학의 관점에서 3D프린팅 기술의 진화에 대해 논의할 기회를 갖게 된 것은 정말 고무적인 일이었다. 우리는 확실히 3D프린팅 진화의 시작 단계에 있으며 생성자 이론에 대한 완전한 이해와는 거리가 멀지만 탐구해야 할 공통 요소가 많다는 것이 분명해 보인다. 3dpbm이 여성의 3D프린팅에서 Sarah Goerke와 적극적으로 협력하여 AM 산업에서 포용과 양성 평등을 선호하고 있기 때문에 이론 물리학의 세계에서 뛰어난 여성 과학자와 함께 이러한 주제에 대해 이야기하는 것도 상쾌하다고 말해야 한다. 또한 일반적으로 남성이 지배한다.

Marletto 교수는“변화하는 시대에 관한 것이라고 생각한다. “내 생각에는 일과 공부의 선택 (남성과 여성 모두)은 주로 우리가 살고 있는 문화와 사회에 의해 결정된다. 우리 의상의 진화 (더 나아지기를 바란다)와 함께 갈 선택의 진화가 있을 것으로 기대한다. 우리는 그것이 무엇으로 이어질지 볼 것이다. 나는 자신 있다."고 말했다.