基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的牽引式義肢設(shè)計研究

趙陽臣 范穎

摘要：本文以南京藝術(shù)學院無障礙設(shè)計工作坊的研究、實踐為基礎(chǔ)，探究在數(shù)字技術(shù)盛行的時代下，手部殘疾者的義肢設(shè)計策略。工作坊通過數(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際需求，并在設(shè)計實踐中發(fā)揮數(shù)字設(shè)計與數(shù)字制造工藝的優(yōu)勢，探索將3D打印等數(shù)字技術(shù)融入義肢設(shè)計的可能性，從用戶生理與心理的角度出發(fā)，展開如何利用數(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 無障礙設(shè)計 牽引式義肢 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

南京藝術(shù)學院于2019年10月開展了無障礙設(shè)計工作坊，工作坊以數(shù)字設(shè)計與3D打印技術(shù)作為研究主題，以無障礙器具設(shè)計作為研究課題，旨在將參數(shù)化設(shè)計、拓撲生形等數(shù)字設(shè)計手段與當下前沿的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)計領(lǐng)域中的應用潛力。

一、義肢設(shè)計現(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(chǎn)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(jié)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(fā)展歷程，其設(shè)計也承載著社會責任與人文關(guān)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(jīng)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(guān)組織介入并經(jīng)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(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(jīng)濟負擔。另一方面，傳統(tǒng)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(diào)研

筆者通過市場調(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(gòu)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(guān)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(shè)計與優(yōu)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(shè)計需要著重思考的問題。

二、義肢設(shè)計結(jié)構(gòu)策略研究

本次設(shè)計實踐以牽引式結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fā)育不全）帶來的不便。該義肢在手腕處設(shè)計了活動關(guān)節(jié)，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(xiàn)抓取動作。這一設(shè)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(chǎn)準備階段大多需要通過用戶提供的數(shù)據(jù)進行客制化生產(chǎn)，用戶會根據(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(chǎn)而言存在一定困難。這兩種義肢構(gòu)造的復雜性使得義肢器具需要在復雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出非標準化特點，這對于大規(guī)模生產(chǎn)而言是巨大的挑戰(zhàn)。盡管每一個義肢使用的零件形態(tài)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(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的鑄模生產(chǎn)無法適用于義肢的制造生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療器具中的應用能夠發(fā)揮其數(shù)字設(shè)計與數(shù)字制造工藝的優(yōu)勢，解決由差異性導致的難以批量生產(chǎn)的問題，實現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)一體化。目前，3D打印技術(shù)多用于醫(yī)學領(lǐng)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(shù)字設(shè)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(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品打印精度飛速提升，價格日趨下降，這使義肢設(shè)計擁有更多的可能性。因此，3D打印技術(shù)的介入使義肢設(shè)計中的諸多問題迎刃而解，該技術(shù)在醫(yī)療器具領(lǐng)域展現(xiàn)出無窮的應用潛力。

三、實踐作品分析

基于以上調(diào)研分析，本次實踐設(shè)計作品綜合考慮到3D打印技術(shù)有高度自由的造型能力與高性價比的優(yōu)勢，因此將3D打印技術(shù)與牽引式結(jié)構(gòu)結(jié)合，嘗試利用數(shù)字設(shè)計與數(shù)字制造工藝的技術(shù)優(yōu)勢，解決現(xiàn)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(jù)光韻達數(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，使用方便且價格能為使用者普遍接受。此特點是延續(xù)了原型義肢客制化、輕量化、低成本的優(yōu)勢。第二，具有整體化、富有表現(xiàn)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(shè)計制作一體化。此特點為解決原型義肢結(jié)構(gòu)復雜、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)計概念、設(shè)計形式、材料工藝等多角度進行討論。

1.義肢設(shè)計緣起

Cyclone造型設(shè)計的靈感來源于氣流的流線形態(tài)，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(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)美的形式是義肢個性化的關(guān)鍵。

義肢設(shè)計初期，設(shè)計者對既有義肢產(chǎn)品（包括概念作品）的造型語言進行研究，發(fā)現(xiàn)義肢作為功能性用具的同時，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)，并進行整體化組織，結(jié)合作品輕量化的需求，形成Cyclone輕盈、流動、旋轉(zhuǎn)的概念，制作時使用殼體對設(shè)計進行進一步的深化。

2.義肢形式生成

設(shè)計者可在設(shè)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(jù)使用者身體數(shù)據(jù)提出個性化的義肢設(shè)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(shè)計采用典型的數(shù)字設(shè)計方法——拓撲生形，通過建立多邊形平滑細分的方式實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，同時確定硬邊營造流線型效果，反復推敲造型與拓撲結(jié)構(gòu)，一步步細化方案，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(guān)節(jié)處節(jié)點，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，以及為穿線預留孔洞，最終優(yōu)化修復網(wǎng)格完成信息模型。拓撲數(shù)字雕塑技術(shù)為設(shè)計提供了更自由的發(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(nèi)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(jié)技術(shù)）打印，并通過一體化燒結(jié)成型。除了穿繩以外無須組裝，不需要專業(yè)人員參與或指導，即使是不具有專業(yè)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(chǔ)上加入機電技術(shù)，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(shè)計也需要關(guān)注殘疾人的心理層面。將顯示屏幕融入義肢設(shè)計，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(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，會產(chǎn)生心理疾病，而義肢上的顯示屏幕可以通過自定義設(shè)置實現(xiàn)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(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不必要的困擾。雖然這里的屏幕作為偵測器外顯設(shè)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(shè)計帶來了更多可能性。

本次義肢設(shè)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(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。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(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)計在不同3D打印工藝與打印材料之間進行了對比。經(jīng)分析可見，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。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(chǎn)品造型，遠超我們對傳統(tǒng)打印的想象。其次，SLS打印可以實現(xiàn)產(chǎn)品一體化成型，在傳統(tǒng)3D打印預制構(gòu)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(jié)構(gòu)在打印時需要進行設(shè)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(gòu)件打印。因此當此技術(shù)應用于義肢打印時，就解決了前文所提到的組裝問題，實現(xiàn)一次成型，后期無須人工再次組裝，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(chǎn)品的使用壽命。綜合以上因素的對比分析，本次設(shè)計采用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)計與數(shù)字制造之間建立起直接的關(guān)聯(lián)。基于拓撲生形的數(shù)字設(shè)計方法得出的信息模型經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整可直接用于3D打印。本次作品在設(shè)計過程中進行了多次機械構(gòu)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(guān)節(jié)是否可以靈活運動以及是否適宜穿戴。義肢長度設(shè)計為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(chǎn)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(jīng)濟條件或是地域發(fā)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(chǎn)品。本次義肢設(shè)計的定位在于使用SLS打印技術(shù)的便捷性、數(shù)字雕塑的形態(tài)多元性來解決這一困境。整個手臂由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更優(yōu)質(zhì)的使用體驗。

四、結(jié)語

材料科學與工藝技術(shù)的每一次革新都推動著設(shè)計方法的變革，SLS打印作為前沿的數(shù)字制造工藝，進一步完善了數(shù)字設(shè)計與數(shù)字制造的系統(tǒng)化工作流。SLS打印技術(shù)在醫(yī)療器具中的應用為當下義肢設(shè)計提供了新的可能性，為義肢開發(fā)者構(gòu)建了一套從設(shè)計到制造一體化的數(shù)字設(shè)計方法。3D打印固有的復雜性、差異性等特征迎合了當今設(shè)計師對產(chǎn)品差異化、多元化的設(shè)計需求，順應了預制化的制造趨勢。SLS打印在醫(yī)用器具領(lǐng)域中的應用進一步強化了3D打印的優(yōu)勢，其介入客制化義肢的設(shè)計已經(jīng)成為一種必然的態(tài)勢。同時牽引式機械義肢原理在義肢設(shè)計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)合時所產(chǎn)生的巨大優(yōu)勢。另外，設(shè)計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(xié)助他們?nèi)谌肷鐣?/p>

注釋：

[1]陳志，張中根.一種輕量級智能義肢手簡介[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。）

參考文獻：

[1]周偉民，閔國全.3D打印醫(yī)學[J].轉(zhuǎn)化醫(yī)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(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應用與展望[J].機械設(shè)計與制造工程，2014，43（11）：5-9.

[3]張海榮，魚泳.3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應用[J].醫(yī)療衛(wèi)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.