基于選擇性激光燒結技術的牽引式義肢設計研究

2021-10-12 21:01趙陽臣范穎
中國藝術 2021年4期
關鍵詞:義肢器具手部

趙陽臣 范穎

摘要:本文以南京藝術學院無障礙設計工作坊的研究、實踐為基礎,探究在數字技術盛行的時代下,手部殘疾者的義肢設計策略。工作坊通過數據調研與歸納分析的方式,挖掘出傳統義肢器具的局限性以及患者的實際需求,并在設計實踐中發揮數字設計與數字制造工藝的優勢,探索將3D打印等數字技術融入義肢設計的可能性,從用戶生理與心理的角度出發,展開如何利用數字技術全方位拓展優化義肢形式與性能的討論。

關鍵詞:3D打印 無障礙設計 牽引式義肢 選擇性激光燒結技術

南京藝術學院于2019年10月開展了無障礙設計工作坊,工作坊以數字設計與3D打印技術作為研究主題,以無障礙器具設計作為研究課題,旨在將參數化設計、拓撲生形等數字設計手段與當下前沿的3D打印工藝技術相結合,挖掘3D打印在醫療器具設計領域中的應用潛力。

一、義肢設計現狀調研

1.受眾調研

手部殘疾是人類功能性殘疾的常見種類。對于患者來說,手部殘疾不僅意味著生活中自理能力與生產能力的喪失,也意味著需要面對家人朋友長期的幫助以及與社會脫節等多方面因素帶來的心理壓力。義肢作為殘障人士的輔助器具,有著上千年的發展歷程,其設計也承載著社會責任與人文關懷。

本次工作坊受邀參與了強生集團的“展翼計劃”。“展翼計劃”致力于制作簡易經濟的開源義肢以幫助眾多殘疾的青少年兒童。在參與該項目的過程中,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,也有因為遭遇事故導致其失去手部功能的。由相關組織介入并經過兒童家長同意后,一些兒童開始使用開源的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,甚至還能進行玩耍。筆者對“展翼計劃”提供的義肢樣本資料進行了研究和分析,發現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的生活障礙,但是依然存在一系列問題。一方面,這些被選中體驗義肢的兒童,家庭條件大都不富裕,而兒童成長需要不停更換義肢,這對于一般家庭來說無疑是巨大的經濟負擔。另一方面,傳統義肢并不能緩解殘疾兒童心理層面的問題。這些問題不僅針對兒童,對于其他手部殘疾人士同樣存在。

2.市場調研

筆者通過市場調研發現,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,但通常實用性不高,大多無法滿足使用者的日常活動需求;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,但由于機械構件復雜,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,價格昂貴。

筆者通過對手部殘疾群體進行心理和外在客觀條件的分析,歸納出了手部殘疾人士購買義肢最關注的要素:第一,從性能角度看是否易用,是否能夠滿足日常活動的需要;第二,是否有較高的性價比;第三,形式上是否美觀,是否能提升使用者的自信心。這些要素為未來的義肢設計與優化指明了方向,如何在使用性能、性價比、形式美感等要素之間達到平衡,是未來義肢設計需要著重思考的問題。

二、義肢設計結構策略研究

本次設計實踐以牽引式結構作為義肢基本的機械原理。牽引式義肢是通過機械控制來完成一些基本的手部動作,一般通過身體其他部位或外在動力源牽引義肢上的牽引繩來實現手部動作。“展翼計劃”提供的義肢樣品是較為常見的牽引式義肢(圖1),以應對手部殘疾(先天性手指發育不全)帶來的不便。該義肢在手腕處設計了活動關節,這樣在手腕動時,牽引繩索利用滑輪原理帶動手指運動,從而實現抓取動作。這一設計原理簡單,易于維護,且有拓展改造的空間,能將繩索作為獨立的動力源,同時加裝肌電感應芯片即可升級為肌電式義肢。

義肢作為典型的殘疾輔助器具,其自身具有特殊性。義肢在生產準備階段大多需要通過用戶提供的數據進行客制化生產,用戶會根據自身情況的變化更換義肢產品。這種特殊性使義肢有著非標準化的需求,這一點對于裝飾性義肢而言影響不大,但對于牽引式義肢和肌電式義肢的生產而言存在一定困難。這兩種義肢構造的復雜性使得義肢器具需要在復雜結構的基礎上呈現出非標準化特點,這對于大規模生產而言是巨大的挑戰。盡管每一個義肢使用的零件形態差異很小,但因為不同人的身體條件不同,甚至每個人的自身條件也在發生變化,因此傳統的鑄模生產無法適用于義肢的制造生產。

3D打印技術在醫療器具中的應用能夠發揮其數字設計與數字制造工藝的優勢,解決由差異性導致的難以批量生產的問題,實現設計生產一體化。目前,3D打印技術多用于醫學領域特別是骨科修復方面。3D打印的介入不僅提升了患者的器具使用體驗,也為數字設計特有的復雜性義肢形式提供了解決方案。隨著3D打印技術的發展,產品打印精度飛速提升,價格日趨下降,這使義肢設計擁有更多的可能性。因此,3D打印技術的介入使義肢設計中的諸多問題迎刃而解,該技術在醫療器具領域展現出無窮的應用潛力。

三、實踐作品分析

基于以上調研分析,本次實踐設計作品綜合考慮到3D打印技術有高度自由的造型能力與高性價比的優勢,因此將3D打印技術與牽引式結構結合,嘗試利用數字設計與數字制造工藝的技術優勢,解決現階段義肢器具存在的問題。同時綜合考慮義肢原型的特征,并根據光韻達數字醫療中心調研的信息,初步判斷成品義肢需要有以下特征:第一,使用方便且價格能為使用者普遍接受。此特點是延續了原型義肢客制化、輕量化、低成本的優勢。第二,具有整體化、富有表現力的造型語言。此特點基于原型義肢使用者所提出的審美與社交的需求。第三,設計制作一體化。此特點為解決原型義肢結構復雜、不易組裝的缺陷。以下將結合工作坊義肢作品Cyclone(《氣旋》,圖3),從設計概念、設計形式、材料工藝等多角度進行討論。

1.義肢設計緣起

Cyclone造型設計的靈感來源于氣流的流線形態,作品名“Cyclone”一詞意為從手部過渡而來的氣旋,形成手背與手臂的形態,氣旋包裹著手臂,呈現出輕盈的流線美。具有形式美的義肢不再只是輔助行動的工具,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,優美的形式是義肢個性化的關鍵。

義肢設計初期,設計者對既有義肢產品(包括概念作品)的造型語言進行研究,發現義肢作為功能性用具的同時,還擁有成為藝術媒介的可能。如將義肢視為精致的手工藝制品,或視作工業制品,強調其工業質地等(圖4),這表明了義肢有成為藝術載體的可能。因此,本次設計將小臂肌肉的扭轉特征作為一種具有仿生特質的結構,并進行整體化組織,結合作品輕量化的需求,形成Cyclone輕盈、流動、旋轉的概念,制作時使用殼體對設計進行進一步的深化。

2.義肢形式生成

設計者可在設計前期使用3D掃描的方式,獲取使用者殘疾處的三維信息模型,根據使用者身體數據提出個性化的義肢設計方案,從而確保義肢接受腔與使用者身體的高度契合。本次設計采用典型的數字設計方法——拓撲生形,通過建立多邊形平滑細分的方式實現復雜異形的形式塑造。先要通過多邊形建模原理布線建立拓撲結構,同時確定硬邊營造流線型效果,反復推敲造型與拓撲結構,一步步細化方案,確定最終結果。為確保義肢在結構上滿足使用者需求,需用力學分析軟件對造型進行應力分析,通過應力圖解找出造型中的脆弱位置,加以強化,并對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節處節點,確保關節構件之間完全分離并保留0.8毫米以上的裝配縫隙,以及為穿線預留孔洞,最終優化修復網格完成信息模型。拓撲數字雕塑技術為設計提供了更自由的發揮空間,讓義肢形態變得更加豐富多元。

3.義肢構造處理

人的整個手臂分成三個部分:手掌、小臂和大臂。義肢使用的基本機械原理即通過曲肘動作帶動義肢內部的牽引繩索,進而拉扯手掌達到抓握的目的。義肢整體由SLS(選擇性激光燒結技術)打印,并通過一體化燒結成型。除了穿繩以外無須組裝,不需要專業人員參與或指導,即使是不具有專業知識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上加入機電技術,使義肢更加智能化。

殘疾人士的生活需要面對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,其設計也需要關注殘疾人的心理層面。將顯示屏幕融入義肢設計,使義肢具備信息交互的功能,具有媒介性,能適當緩解殘疾人因手臂的異樣而產生的自卑感。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,會產生心理疾病,而義肢上的顯示屏幕可以通過自定義設置實現一定的社交功能。義肢的屏幕使用電子屏,通過不同顏色的顯示(如藍、綠、紫)來呈現信息狀態,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容,以避免信息外顯帶來不必要的困擾。雖然這里的屏幕作為偵測器外顯設備并不能代替手機,但它可作為一種華麗的展示媒介,為義肢設計帶來了更多可能性。

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

4.義肢制作材料與工藝

產品的制造工藝與材料的選擇,直接決定了產品最后所呈現的形式與使用性能。本次設計在不同3D打印工藝與打印材料之間進行了對比。經分析可見,就義肢產品制造而言,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勢。首先,SLS打印相對于FDM打印、SLA打印有著極高的精度,可以精準打印復雜造型。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雜的產品造型,遠超我們對傳統打印的想象。其次,SLS打印可以實現產品一體化成型,在傳統3D打印預制構件的過程中,需采用先預制后組裝的工藝方式,一些無支撐的結構在打印時需要進行設計支撐。而SLS打印工藝能夠在預留空隙的情況下進行一體化制造,并在無須支撐的情況下,進行可活動構件打印。因此當此技術應用于義肢打印時,就解決了前文所提到的組裝問題,實現一次成型,后期無須人工再次組裝,大幅度提升了生產效率。最后,SLS打印所使用的尼龍材料具備更好的耐久性。傳統SLA打印常用的樹脂以及FDM打印常用的PLA、ABS塑料等普遍存在變色、變形等問題,而SLS打印使用的尼龍材料在長時間室外條件下,還能維持原本的顏色與強度,延長了產品的使用壽命。綜合以上因素的對比分析,本次設計采用SLS打印工藝,打印材料選用尼龍。

5.義肢數字制造

數據作為信息媒介,在數字設計與數字制造之間建立起直接的關聯。基于拓撲生形的數字設計方法得出的信息模型經過優化調整可直接用于3D打印。本次作品在設計過程中進行了多次機械構造實驗,通過SLS打印機進行局部尼龍打印完成實驗小樣,并測試牽引能否順利操作、關節是否可以靈活運動以及是否適宜穿戴。義肢長度設計為590毫米,從現有的工藝技術條件看,雖然大型激光燒結3D打印機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,最終對模型進行了分割并采用容量為400毫米見方的打印機進行打印。整個打印過程僅耗時一天,打印完成后只需穿線即可使用。基于SLS打印的義肢產品不僅滿足了手部殘疾人士的日常生活需求,同時還具有高性價比。以往我國有大量殘疾人士因為經濟條件或是地域發展等客觀因素的限制,沒能使用到功能合理且能滿足自我認同的義肢產品。本次義肢設計的定位在于使用SLS打印技術的便捷性、數字雕塑的形態多元性來解決這一困境。整個手臂由3D打印激光燒結技術一體成型,SLS打印定制義肢相比于傳統義肢成本更低且能為患者帶來更優質的使用體驗。

四、結語

材料科學與工藝技術的每一次革新都推動著設計方法的變革,SLS打印作為前沿的數字制造工藝,進一步完善了數字設計與數字制造的系統化工作流。SLS打印技術在醫療器具中的應用為當下義肢設計提供了新的可能性,為義肢開發者構建了一套從設計到制造一體化的數字設計方法。3D打印固有的復雜性、差異性等特征迎合了當今設計師對產品差異化、多元化的設計需求,順應了預制化的制造趨勢。SLS打印在醫用器具領域中的應用進一步強化了3D打印的優勢,其介入客制化義肢的設計已經成為一種必然的態勢。同時牽引式機械義肢原理在義肢設計中有著廣泛的適用性,可以很好地與3D打印工藝結合,由此不難看出二者結合時所產生的巨大優勢。另外,設計方法的革新也使義肢的功能與定位發生改變,義肢等醫療輔助器具在未來不僅是用于彌補殘疾人士的生理缺陷,還將幫助他們建立自信、輔助溝通,協助他們融入社會。

注釋:

[1]陳志,張中根.一種輕量級智能義肢手簡介[J].現代商貿工業,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。)

參考文獻:

[1]周偉民,閔國全.3D打印醫學[J].轉化醫學研究(電子版),2014,4(3):58-62.

[2]姜杰,朱莉婭,楊建飛,等.3D打印技術在醫學領域的應用與展望[J].機械設計與制造工程,2014,43(11):5-9.

[3]張海榮,魚泳.3D打印技術在醫學領域的應用[J].醫療衛生裝備,2015,36(03):118-120.

[4]郎為民,徐延軍.一本書讀懂3D打印[M].北京:人民郵電出版社,2016.

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