基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的牽引式義肢設(shè)計(jì)研究

趙陽(yáng)臣 范穎

摘要：本文以南京藝術(shù)學(xué)院無(wú)障礙設(shè)計(jì)工作坊的研究、實(shí)踐為基礎(chǔ)，探究在數(shù)字技術(shù)盛行的時(shí)代下，手部殘疾者的義肢設(shè)計(jì)策略。工作坊通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)研與歸納分析的方式，挖掘出傳統(tǒng)義肢器具的局限性以及患者的實(shí)際需求，并在設(shè)計(jì)實(shí)踐中發(fā)揮數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造工藝的優(yōu)勢(shì)，探索將3D打印等數(shù)字技術(shù)融入義肢設(shè)計(jì)的可能性，從用戶生理與心理的角度出發(fā)，展開(kāi)如何利用數(shù)字技術(shù)全方位拓展優(yōu)化義肢形式與性能的討論。

關(guān)鍵詞：3D打印 無(wú)障礙設(shè)計(jì) 牽引式義肢 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

南京藝術(shù)學(xué)院于2019年10月開(kāi)展了無(wú)障礙設(shè)計(jì)工作坊，工作坊以數(shù)字設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)作為研究主題，以無(wú)障礙器具設(shè)計(jì)作為研究課題，旨在將參數(shù)化設(shè)計(jì)、拓?fù)渖蔚葦?shù)字設(shè)計(jì)手段與當(dāng)下前沿的3D打印工藝技術(shù)相結(jié)合，挖掘3D打印在醫(yī)療器具設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

一、義肢設(shè)計(jì)現(xiàn)狀調(diào)研

1.受眾調(diào)研

手部殘疾是人類功能性殘疾的常見(jiàn)種類。對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，手部殘疾不僅意味著生活中自理能力與生產(chǎn)能力的喪失，也意味著需要面對(duì)家人朋友長(zhǎng)期的幫助以及與社會(huì)脫節(jié)等多方面因素帶來(lái)的心理壓力。義肢作為殘障人士的輔助器具，有著上千年的發(fā)展歷程，其設(shè)計(jì)也承載著社會(huì)責(zé)任與人文關(guān)懷。

本次工作坊受邀參與了強(qiáng)生集團(tuán)的“展翼計(jì)劃”?！罢挂碛?jì)劃”致力于制作簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的開(kāi)源義肢以幫助眾多殘疾的青少年兒童。在參與該項(xiàng)目的過(guò)程中，筆者接觸了很多低齡兒童手部殘疾的案例。這些兒童的殘疾有的是天生畸形，也有因?yàn)樵庥鍪鹿蕦?dǎo)致其失去手部功能的。由相關(guān)組織介入并經(jīng)過(guò)兒童家長(zhǎng)同意后，一些兒童開(kāi)始使用開(kāi)源的3D打印義肢。該義肢不但能滿足使用者部分日常生活自理的需要，甚至還能進(jìn)行玩耍。筆者對(duì)“展翼計(jì)劃”提供的義肢樣本資料進(jìn)行了研究和分析，發(fā)現(xiàn)使用此類義肢雖然能在一定程度上解決兒童生理缺陷所帶來(lái)的生活障礙，但是依然存在一系列問(wèn)題。一方面，這些被選中體驗(yàn)義肢的兒童，家庭條件大都不富裕，而兒童成長(zhǎng)需要不停更換義肢，這對(duì)于一般家庭來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。另一方面，傳統(tǒng)義肢并不能緩解殘疾兒童心理層面的問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅針對(duì)兒童，對(duì)于其他手部殘疾人士同樣存在。

2.市場(chǎng)調(diào)研

筆者通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市面上主要有三種義肢類型。第一種是裝飾性義肢，該類義肢通常具備美觀的外形，有較高的形式美感，但通常實(shí)用性不高，大多無(wú)法滿足使用者的日?；顒?dòng)需求；第二種是牽引式（或稱為索控式）義肢，其可以滿足使用者基本的日常需求，但由于機(jī)械構(gòu)件復(fù)雜，組裝很困難；第三種是肌電式義肢，有著很好的使用效果，但通常制作成本高，價(jià)格昂貴。

筆者通過(guò)對(duì)手部殘疾群體進(jìn)行心理和外在客觀條件的分析，歸納出了手部殘疾人士購(gòu)買義肢最關(guān)注的要素：第一，從性能角度看是否易用，是否能夠滿足日?；顒?dòng)的需要；第二，是否有較高的性價(jià)比；第三，形式上是否美觀，是否能提升使用者的自信心。這些要素為未來(lái)的義肢設(shè)計(jì)與優(yōu)化指明了方向，如何在使用性能、性價(jià)比、形式美感等要素之間達(dá)到平衡，是未來(lái)義肢設(shè)計(jì)需要著重思考的問(wèn)題。

二、義肢設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)策略研究

本次設(shè)計(jì)實(shí)踐以牽引式結(jié)構(gòu)作為義肢基本的機(jī)械原理。牽引式義肢是通過(guò)機(jī)械控制來(lái)完成一些基本的手部動(dòng)作，一般通過(guò)身體其他部位或外在動(dòng)力源牽引義肢上的牽引繩來(lái)實(shí)現(xiàn)手部動(dòng)作?！罢挂碛?jì)劃”提供的義肢樣品是較為常見(jiàn)的牽引式義肢（圖1），以應(yīng)對(duì)手部殘疾（先天性手指發(fā)育不全）帶來(lái)的不便。該義肢在手腕處設(shè)計(jì)了活動(dòng)關(guān)節(jié)，這樣在手腕動(dòng)時(shí)，牽引繩索利用滑輪原理帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。這一設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，且有拓展改造的空間，能將繩索作為獨(dú)立的動(dòng)力源，同時(shí)加裝肌電感應(yīng)芯片即可升級(jí)為肌電式義肢。

義肢作為典型的殘疾輔助器具，其自身具有特殊性。義肢在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段大多需要通過(guò)用戶提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行客制化生產(chǎn)，用戶會(huì)根據(jù)自身情況的變化更換義肢產(chǎn)品。這種特殊性使義肢有著非標(biāo)準(zhǔn)化的需求，這一點(diǎn)對(duì)于裝飾性義肢而言影響不大，但對(duì)于牽引式義肢和肌電式義肢的生產(chǎn)而言存在一定困難。這兩種義肢構(gòu)造的復(fù)雜性使得義肢器具需要在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出非標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)，這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)而言是巨大的挑戰(zhàn)。盡管每一個(gè)義肢使用的零件形態(tài)差異很小，但因?yàn)椴煌说纳眢w條件不同，甚至每個(gè)人的自身?xiàng)l件也在發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的鑄模生產(chǎn)無(wú)法適用于義肢的制造生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療器具中的應(yīng)用能夠發(fā)揮其數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造工藝的優(yōu)勢(shì)，解決由差異性導(dǎo)致的難以批量生產(chǎn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化。目前，3D打印技術(shù)多用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特別是骨科修復(fù)方面。3D打印的介入不僅提升了患者的器具使用體驗(yàn)，也為數(shù)字設(shè)計(jì)特有的復(fù)雜性義肢形式提供了解決方案。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品打印精度飛速提升，價(jià)格日趨下降，這使義肢設(shè)計(jì)擁有更多的可能性。因此，3D打印技術(shù)的介入使義肢設(shè)計(jì)中的諸多問(wèn)題迎刃而解，該技術(shù)在醫(yī)療器具領(lǐng)域展現(xiàn)出無(wú)窮的應(yīng)用潛力。

三、實(shí)踐作品分析

基于以上調(diào)研分析，本次實(shí)踐設(shè)計(jì)作品綜合考慮到3D打印技術(shù)有高度自由的造型能力與高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，因此將3D打印技術(shù)與牽引式結(jié)構(gòu)結(jié)合，嘗試?yán)脭?shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決現(xiàn)階段義肢器具存在的問(wèn)題。同時(shí)綜合考慮義肢原型的特征，并根據(jù)光韻達(dá)數(shù)字醫(yī)療中心調(diào)研的信息，初步判斷成品義肢需要有以下特征：第一，使用方便且價(jià)格能為使用者普遍接受。此特點(diǎn)是延續(xù)了原型義肢客制化、輕量化、低成本的優(yōu)勢(shì)。第二，具有整體化、富有表現(xiàn)力的造型語(yǔ)言。此特點(diǎn)基于原型義肢使用者所提出的審美與社交的需求。第三，設(shè)計(jì)制作一體化。此特點(diǎn)為解決原型義肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易組裝的缺陷。以下將結(jié)合工作坊義肢作品Cyclone（《氣旋》，圖3），從設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)形式、材料工藝等多角度進(jìn)行討論。

1.義肢設(shè)計(jì)緣起

Cyclone造型設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源于氣流的流線形態(tài)，作品名“Cyclone”一詞意為從手部過(guò)渡而來(lái)的氣旋，形成手背與手臂的形態(tài)，氣旋包裹著手臂，呈現(xiàn)出輕盈的流線美。具有形式美的義肢不再只是輔助行動(dòng)的工具，其同樣可以起到裝飾作用，從而能在一定程度上為殘疾人士增添自信心。因此，優(yōu)美的形式是義肢個(gè)性化的關(guān)鍵。

義肢設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)者對(duì)既有義肢產(chǎn)品（包括概念作品）的造型語(yǔ)言進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)義肢作為功能性用具的同時(shí)，還擁有成為藝術(shù)媒介的可能。如將義肢視為精致的手工藝制品，或視作工業(yè)制品，強(qiáng)調(diào)其工業(yè)質(zhì)地等（圖4），這表明了義肢有成為藝術(shù)載體的可能。因此，本次設(shè)計(jì)將小臂肌肉的扭轉(zhuǎn)特征作為一種具有仿生特質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行整體化組織，結(jié)合作品輕量化的需求，形成Cyclone輕盈、流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的概念，制作時(shí)使用殼體對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的深化。

2.義肢形式生成

設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)前期使用3D掃描的方式，獲取使用者殘疾處的三維信息模型，根據(jù)使用者身體數(shù)據(jù)提出個(gè)性化的義肢設(shè)計(jì)方案，從而確保義肢接受腔與使用者身體的高度契合。本次設(shè)計(jì)采用典型的數(shù)字設(shè)計(jì)方法——拓?fù)渖?，通過(guò)建立多邊形平滑細(xì)分的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形的形式塑造。先要通過(guò)多邊形建模原理布線建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)確定硬邊營(yíng)造流線型效果，反復(fù)推敲造型與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一步步細(xì)化方案，確定最終結(jié)果。為確保義肢在結(jié)構(gòu)上滿足使用者需求，需用力學(xué)分析軟件對(duì)造型進(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)應(yīng)力圖解找出造型中的脆弱位置，加以強(qiáng)化，并對(duì)受力較小的位置使用鏤空工藝從而減輕器具重量。在完成整體造型效果后還需深化關(guān)節(jié)處節(jié)點(diǎn)，確保關(guān)節(jié)構(gòu)件之間完全分離并保留0.8毫米以上的裝配縫隙，以及為穿線預(yù)留孔洞，最終優(yōu)化修復(fù)網(wǎng)格完成信息模型。拓?fù)鋽?shù)字雕塑技術(shù)為設(shè)計(jì)提供了更自由的發(fā)揮空間，讓義肢形態(tài)變得更加豐富多元。

3.義肢構(gòu)造處理

人的整個(gè)手臂分成三個(gè)部分：手掌、小臂和大臂。義肢使用的基本機(jī)械原理即通過(guò)曲肘動(dòng)作帶動(dòng)義肢內(nèi)部的牽引繩索，進(jìn)而拉扯手掌達(dá)到抓握的目的。義肢整體由SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）打印，并通過(guò)一體化燒結(jié)成型。除了穿繩以外無(wú)須組裝，不需要專業(yè)人員參與或指導(dǎo)，即使是不具有專業(yè)知識(shí)的使用者也能很好地掌握其使用方法。除此之外，可以在成品義肢的基礎(chǔ)上加入機(jī)電技術(shù)，使義肢更加智能化。

殘疾人士的生活需要面對(duì)生理與心理的雙重壓力，因此義肢除了滿足日常生活需要之外，其設(shè)計(jì)也需要關(guān)注殘疾人的心理層面。將顯示屏幕融入義肢設(shè)計(jì)，使義肢具備信息交互的功能，具有媒介性，能適當(dāng)緩解殘疾人因手臂的異樣而產(chǎn)生的自卑感。手部的殘疾讓他們失去一些交流手段，部分殘疾人因缺少社交，會(huì)產(chǎn)生心理疾病，而義肢上的顯示屏幕可以通過(guò)自定義設(shè)置實(shí)現(xiàn)一定的社交功能。義肢的屏幕使用電子屏，通過(guò)不同顏色的顯示（如藍(lán)、綠、紫）來(lái)呈現(xiàn)信息狀態(tài)，這里的信息可以是人的體溫，也可以是其他自定義信息，這一點(diǎn)可以由使用者在明確隱私性后，自定義顏色顯示所反映的內(nèi)容，以避免信息外顯帶來(lái)不必要的困擾。雖然這里的屏幕作為偵測(cè)器外顯設(shè)備并不能代替手機(jī)，但它可作為一種華麗的展示媒介，為義肢設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多可能性。

本次義肢設(shè)計(jì)除了滿足手部殘疾人士的日常使用之外，同時(shí)兼顧防疫需求。納米金屬作為廣譜抗菌抑菌的材料，常用于制造手術(shù)刀等醫(yī)療器械，這里作為涂層噴涂于義肢上，為其提供了一層防護(hù)。紫外線作為二次消殺防護(hù)的重要手段，適用于平時(shí)不便于清潔義肢的使用者。

4.義肢制作材料與工藝

產(chǎn)品的制造工藝與材料的選擇，直接決定了產(chǎn)品最后所呈現(xiàn)的形式與使用性能。本次設(shè)計(jì)在不同3D打印工藝與打印材料之間進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)分析可見(jiàn)，就義肢產(chǎn)品制造而言，SLS打印與SLA（立體光固化成型法）打印、FDM（熔融層積成型法）打印等相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，SLS打印相對(duì)于FDM打印、SLA打印有著極高的精度，可以精準(zhǔn)打印復(fù)雜造型。SLS打印可以打印出0.4毫米以上的壁厚以及0.6毫米以上的間距，這意味著可以打印出更復(fù)雜的產(chǎn)品造型，遠(yuǎn)超我們對(duì)傳統(tǒng)打印的想象。其次，SLS打印可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一體化成型，在傳統(tǒng)3D打印預(yù)制構(gòu)件的過(guò)程中，需采用先預(yù)制后組裝的工藝方式，一些無(wú)支撐的結(jié)構(gòu)在打印時(shí)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)支撐。而SLS打印工藝能夠在預(yù)留空隙的情況下進(jìn)行一體化制造，并在無(wú)須支撐的情況下，進(jìn)行可活動(dòng)構(gòu)件打印。因此當(dāng)此技術(shù)應(yīng)用于義肢打印時(shí)，就解決了前文所提到的組裝問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一次成型，后期無(wú)須人工再次組裝，大幅度提升了生產(chǎn)效率。最后，SLS打印所使用的尼龍材料具備更好的耐久性。傳統(tǒng)SLA打印常用的樹(shù)脂以及FDM打印常用的PLA、ABS塑料等普遍存在變色、變形等問(wèn)題，而SLS打印使用的尼龍材料在長(zhǎng)時(shí)間室外條件下，還能維持原本的顏色與強(qiáng)度，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。綜合以上因素的對(duì)比分析，本次設(shè)計(jì)采用SLS打印工藝，打印材料選用尼龍。

5.義肢數(shù)字制造

數(shù)據(jù)作為信息媒介，在數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造之間建立起直接的關(guān)聯(lián)。基于拓?fù)渖蔚臄?shù)字設(shè)計(jì)方法得出的信息模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整可直接用于3D打印。本次作品在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了多次機(jī)械構(gòu)造實(shí)驗(yàn)，通過(guò)SLS打印機(jī)進(jìn)行局部尼龍打印完成實(shí)驗(yàn)小樣，并測(cè)試牽引能否順利操作、關(guān)節(jié)是否可以靈活運(yùn)動(dòng)以及是否適宜穿戴。義肢長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為590毫米，從現(xiàn)有的工藝技術(shù)條件看，雖然大型激光燒結(jié)3D打印機(jī)可以滿足該尺寸的打印需求，但是考慮到打印成本等多方面因素，最終對(duì)模型進(jìn)行了分割并采用容量為400毫米見(jiàn)方的打印機(jī)進(jìn)行打印。整個(gè)打印過(guò)程僅耗時(shí)一天，打印完成后只需穿線即可使用。基于SLS打印的義肢產(chǎn)品不僅滿足了手部殘疾人士的日常生活需求，同時(shí)還具有高性價(jià)比。以往我國(guó)有大量殘疾人士因?yàn)榻?jīng)濟(jì)條件或是地域發(fā)展等客觀因素的限制，沒(méi)能使用到功能合理且能滿足自我認(rèn)同的義肢產(chǎn)品。本次義肢設(shè)計(jì)的定位在于使用SLS打印技術(shù)的便捷性、數(shù)字雕塑的形態(tài)多元性來(lái)解決這一困境。整個(gè)手臂由3D打印激光燒結(jié)技術(shù)一體成型，SLS打印定制義肢相比于傳統(tǒng)義肢成本更低且能為患者帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

材料科學(xué)與工藝技術(shù)的每一次革新都推動(dòng)著設(shè)計(jì)方法的變革，SLS打印作為前沿的數(shù)字制造工藝，進(jìn)一步完善了數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造的系統(tǒng)化工作流。SLS打印技術(shù)在醫(yī)療器具中的應(yīng)用為當(dāng)下義肢設(shè)計(jì)提供了新的可能性，為義肢開(kāi)發(fā)者構(gòu)建了一套從設(shè)計(jì)到制造一體化的數(shù)字設(shè)計(jì)方法。3D打印固有的復(fù)雜性、差異性等特征迎合了當(dāng)今設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品差異化、多元化的設(shè)計(jì)需求，順應(yīng)了預(yù)制化的制造趨勢(shì)。SLS打印在醫(yī)用器具領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)一步強(qiáng)化了3D打印的優(yōu)勢(shì)，其介入客制化義肢的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種必然的態(tài)勢(shì)。同時(shí)牽引式機(jī)械義肢原理在義肢設(shè)計(jì)中有著廣泛的適用性，可以很好地與3D打印工藝結(jié)合，由此不難看出二者結(jié)合時(shí)所產(chǎn)生的巨大優(yōu)勢(shì)。另外，設(shè)計(jì)方法的革新也使義肢的功能與定位發(fā)生改變，義肢等醫(yī)療輔助器具在未來(lái)不僅是用于彌補(bǔ)殘疾人士的生理缺陷，還將幫助他們建立自信、輔助溝通，協(xié)助他們?nèi)谌肷鐣?huì)。

注釋：

[1]陳志，張中根.一種輕量級(jí)智能義肢手簡(jiǎn)介[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2018，39（33）：181.（表一中的“仿真手”即“義肢”，是手部殘疾者所使用的人工假體。）

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