具身視角下兒童3D打印義肢設計探索

摘要：3D打印技術在設計領域與醫療領域的應用十分廣泛，其興起促進了跨學科的設計探索與合作。相較傳統的義肢制作技術，用3D打印技術制作義肢，在精確性、可定制程度以及成本等方面都有很大的優勢。在具身視角下，我們更關注產品對使用者身心的影響以及“具身主體性”的實現，因此具身視角下兒童義肢的設計不僅需要保證其治療護理的功能，而且應該整合感官與情緒等多方位因素體現人文關懷。本文總結了目前3D打印義肢的基本程序與創新進展，并基于具身理論，從兒童的認知、情感以及行為等層面分析兒童對義肢的需求。同時，本文以小腿義肢的設計實踐為例，提出兒童3D打印義肢的具身設計策略，并結合選擇性激光燒結工藝（Selective Laser Sintering，簡稱“SLS”）進行跨界設計。

關鍵詞：3D打印具身設計兒童義肢增材制造跨界設計

一、3D打印義肢技術的基本概述

義肢是一種彌補缺損肢體或增強身體部分功能的裝置。常見的義肢裝置包括手臂、手、腿、關節和眼睛等。3D打印義肢在人體工程學以及與患者肢體的匹配度方面都具有十分明顯的優勢，其不僅加強了義肢的可適配性與定制的精確性，而且大大降低了制作時間與費用。[1]

（一）線上社區e-NABLE促進3D打印義肢技術的發展

相對于之前成本較高的傳統義肢，3D打印技術在義肢制作領域的應用可以說是掀起了一場顛覆義肢市場的革命。3D打印義肢技術的發展主要始于2013年線上社區e-NABLE的建立。[2]e-NABLE社區是一個由世界各地的“數字化人道主義者”組成的志愿者網絡社區，一直致力于使用3D打印技術為有需要的人（特別是兒童）設計制作低成本的義肢，并將產品的設計數據在網絡上開源共享。該社區擁有約兩萬名分布在全球的志愿者，其中有教師、學生、工程師、科學家、醫學專家、設計師、程序員等，他們身處各個領域，共同參與該社區的相關工作。該社區以創造、創新、再設計和共享為理念，幫助很多醫療技術落后地區的患者用上了3D打印義肢。截至2019年11月，該社區將設計制作的約7000個3D打印義肢免費贈送給了全球100多個國家或地區的兒童和成人，而這些義肢的制作成本比標準的鈦合金義肢的制作成本要低許多。

在e-NABLE線上社區中，由于多數3D打印義肢的三維模型數據是公開的，可在線獲取，因此任何人都可以下載并改進義肢的設計方案，也可以隨時發布自己的更新版本，從而促進了許多設計師之間的跨學科協作。e-NABLE 社區基于谷歌+（Google Plus）和臉書（Facebook）社交網站作為研討平臺，供設計師、志愿者和患者交換設計與設備信息，對接打印產品成果，這種開源協作設計模式極大地促進了3D打印義肢技術的發展，而設計師和使用者都可以親自參與到產品的設計制作過程中的模式，無論在醫學行業還是設計行業，都是具有顛覆性的。

（二）制作3D打印義肢的程序

傳統義肢的制作程序較為煩瑣，需要熟練的技術人員與工匠根據患者的殘肢結構進行反復調整，并且義肢的每一個部件都是根據患者的具體情況手工制作而成，耗時且花費巨大。3D打印技術的使用簡化了義肢設計與制作的過程，只需配合使用3D掃描儀和3D打印機就可以完成義肢的生產。一般情況下，使用3D打印技術制作義肢的步驟如下：

第一步，三維數字掃描。使用掃描儀器，為義肢使用者建立精確的肢體已殘缺部位的虛擬模型，該模型接受腔的構造需與殘肢的激光掃描形態完全一致，從而使義肢與殘肢適配。

第二步，3D建模軟件建模。將義肢使用者的肢體、殘肢和通用義肢結構的掃描數據進行合成，并發送到3D建模軟件中，創建義肢模型。

第三步，個性化定制。根據義肢使用者的審美需求，運用3D設計軟件設計個性化的外形或圖案。

第四步，3D打印。義肢設計完成后，將模型以適合3D打印的STL或OBJ格式導出并使用3D打印機打印。

第五步，義肢組裝與調整。使用3D打印的標準或自定義連接部件將義肢組裝起來。在引導義肢使用者佩戴義肢時，需要注意其殘肢的結構，包括肌肉、肌腱和骨骼等位置是否與義肢準確相配，若有必要還需對義肢進行微調。

（三）3D打印義肢的創新進展

隨著3D打印技術的逐漸成熟，世界各地的設計師或醫學研究者都在不斷地探索3D打印義肢在材料使用以及設計與制作等方面的創新。他們開始嘗試讓3D打印設備與更多新型材料兼容。比如，利用輕質鈦以提高義肢的耐用性和連接強度；探索和使用可再生塑料等材料，解決打印廢料浪費與環境污染的問題；憑借網絡資源與線上研究平臺，研究人員可以在較短的時間內提出完善的義肢生產方案，進一步優化義肢的設計制作流程。

來自美國的諾斯韋爾健康（Northwell Health）公司的研究人員開發了由碳纖維增強尼龍材料3D打印的兩棲假肢“鰭\"（The FIN），其內里的一系列錐形孔可讓水通過假肢并隨著假肢的運動產生自然的阻力和推進力，使佩戴者不必更換假肢就能夠行走和游泳。由捷克的托馬斯·瓦切克（Tomas Vacek）設計的時尚風格義肢（名為“Art4Leg”）滿足了患者個性化表達的需求。其蓋板采用大功率磁鐵與主體連接，前后板依靠磁力牢牢地固定在一起，同時也便于拆解安裝。在其表面噴涂顏色或使用金屬箔片，一方面可滿足使用者的個性需求，另一方面也能夠展現該義肢的材料優勢。

近年來，我國醫學領域在3D打印義肢方面取得了較大的創新成果。筆者通過走訪調研上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院的3D打印創新研究中心以及上海光韻達數字醫療科技有限公司等機構，了解到國內一些醫療與科研團隊在3D打印義肢技術的臨床轉化上已取得了一定成果，尤其是在醫療3D打印平臺的搭建上，通過“醫學+3D打印+云服務平臺”三位一體的工作模式，統籌了3D打印的設備、技術、材料、軟件等資源，更好地促進了3D打印義肢技術的創新和發展。在2016年，我國已有第一例使用3D打印技術制作上肢的臨床病例報告。［3］

二、具身認知與具身設計

具身認知（embodied cognition）中的\"具身\"一詞強調了認知的內容來自我們的身體，以及身體與環境的互動。[4]自從在設計學中引入具身認知以來，許多研究證明了日常身體體驗與產品設計評估之間存在關聯，其中也涉及對意義表達與情感反饋的關注。［5］這些研究強調了身體在認知活動中的核心作用，試圖從身體與產品的互動，以及所得到的體驗來解釋人們從情景化的環境和物體中所獲得的認知意義。

在具體的產品設計領域，設計對象是與人們身體發生互動的物質對象，這些互動受到感官和身體特征的限制。設計師通常更注重設計對象的特征（包括視覺效果、材料特征或交互屬性等）與用戶感知，關注設計對象在使用的過程中如何促使使用者通過其身體經驗對其形成新的認識。對身體活動的內化理解可以指導設計師創造有意義的設計對象，真正為用戶體驗而設計。而具身認知框架作為一種設計工具，可以幫助設計師挖掘用戶行為和潛在需求，為設計師探索“人們如何使用其身體”的問題開辟了新的方向，并指導以人為本的具身設計。[6]

值得進一步探索的主題之一是為具身體驗而設計的方法與策略。荷蘭設計學者托馬斯·范·龍佩（Thomas Van Rompay）對具身類型作出了有形（如直接將身體特征轉化為產品外觀）與抽象（如選擇特殊材料來塑造產品的特性）的總結，并從設計體驗出發，將產品的具身設計類型分為四類，分別為擬人化（即對身體特征的模仿）、突出圖像與符號的象征意義、感官體驗、產品運行以及用戶與之交互的方式。［7］從上述分類出發，可以引發我們思考如下相關問題：產品材料與外形表達的意義如何相互作用？基于圖像與符號的表達方式是否影響用戶與產品的互動？產品的運行動作如何影響人們與產品交互以及對產品的感受？

這些基于具身認知的思考受到產品特定的設計目標與功能指向的驅動。一方面，具身設計需要強調以身體為基礎的設計的“在場性”，深入使用情境，注重設計成果對用戶在情感上的回應，激發用戶的好奇心以得到良好的產品體驗；另一方面，在具身設計的過程中，設計者要關注使用者的認知、情感和行為需求，通過產品的形狀、材料、使用與交互方式滿足使用者的需求。3D打印義肢在突破材料與制作流程的局限的同時，更需要我們將注意力集中在產品與人之間的物理和心理的關聯上。

三、基于兒童具身需求的義肢設計和制作

（一）兒童對義肢的具身需求分析

每個兒童的認知能力、心理特點、知識基礎和家庭環境等都各不相同，對義肢也有不同的需求。但總體來說，兒童對義肢的具身需求主要包括使用需求和心理情感需求。

在使用方面，使用者使用義肢的基本需求是保證其正常的活動和生活，而這一點也是義肢的基本作用。但要使義肢真正地發揮好這一作用，在保證其經久耐用、安全以及適用性強之外，還要根據兒童在使用時的具體體驗，調整其靈活性、輕巧性、舒適性和便捷度等，以使兒童更容易認可和適應義肢。

在心理、情感方面，由于兒童階段是身心發育的特殊時期，許多兒童截肢后會變得自閉、自卑，不愿與他人交流。而使用義肢能使截肢兒童回歸日常生活，幫助他們適應社交生活，使他們在心理和情感上都能得到寬慰。此外，使用義肢所帶來的身體體驗還能夠觸發截肢兒童積極的認知心理，比如義肢產品時尚的外觀造型、顏色，優良的材料以及美好的意象都會給截肢兒童帶來良好的視覺、觸覺感受以及安全感等，以更好地促進其成長和發展。

（二）3D打印技術根據兒童具身需求設計義肢

3D打印技術可以根據截肢兒童的具體反饋對設計進行優化，制造出堅固、輕巧、易于更換且成本較低的兒童義肢。比如，對于兒童來說，其身體成長速度快，需要經常更換義肢。[8]而利用3D打印技術，可以實現義肢的可調節設備部件的制造，以便于兒童在生長過程中進行微調，從而延緩需要更換全新假肢的時間，這也是目前3D打印兒童義肢的探索方向之一。

有研究表明兒童越早接觸義肢，接受并終身使用義肢的概率越高。[9]然而，兒童使用義肢經常會出現的問題是排斥率較高，比如傳統義肢由于重量較重，便往往不為幼兒所接受。對此，英國林肯大學于2020年研制和設計出首例專為兩歲以下幼兒使用的3D打印“軟握式嬰兒肌電義肢”（Soft-Grasp Infant Myoelectric Prosthetic Arm）。該義肢由臂環上的觸覺傳感器來監測肌肉自然傳導的電信號，以此控制抓握力。［10］肌電義肢目前一般供成人使用，而英國林肯大學通過3D打印技術制作的“軟握式嬰兒肌電義肢”，是首次專門為兒童設計的肌電義肢。此義肢以3D打印技術代替傳統的石膏澆筑技術，更輕便智能，有利于嬰幼兒盡早適應義肢的使用。

兒童的義肢除需具備輕巧、智能、適用等功能外，還需能夠滿足兒童的心理需求。功能性義肢融合藝術美學與創意設計，能夠為兒童提供表達自己的方式，支持他們以積極的社會身份與他人互動。英國開放仿生學（Open Bionics）生物公司開發了世界上第一款通過臨床批準的3D打印手臂“英雄臂”（Hero Arm），該3D打印義肢輕便、智能又富有設計感，因為其不僅具有捕捉手臂肌肉運動的傳感器，可以更好地控制動作，而且其外觀也融入了一些受兒童歡迎的英雄元素，兒童們可以根據自己的喜好來定制義肢的款式，以此決定成為“鋼鐵俠”還是“冰雪女王”，這在一定程度上能夠滿足兒童心理與情感的需求，提高兒童的自信心，促使其更好地融入群體和社會。

當然，目前的一些3D打印兒童義肢也存在一些局限。比如，受3D打印機分辨率的影響，目前還無法為嬰幼兒使用的義肢制作較小的零件；再比如，目前由于缺乏3D打印義肢的產品標準，選擇3D打印義肢時也不得不考慮其耐用性、適用環境等因素；［11］還比如，目前大多數3D打印兒童義肢的設計僅做到了對兒童身體層面缺陷的彌補，且大多是在成人義肢的基礎上進行尺寸修改，設計風格趨向于仿真，［12］但在人文關懷、設計美化上的探索還遠遠不足，仍有較大的發展空間。

四、基于3D打印技術的兒童義肢設計實踐

筆者與團隊依托南京藝術學院無障礙設計工作坊的“3D打印義肢設計”課題，集合了一些跨學科的設計思考，旨在在具身視角下，以身體為媒介，發掘兒童潛在的對義肢的情感與使用需求，并以兒童小腿義肢——“泡泡（BUBBLES）義肢”的設計為例，結合設計語言與3D打印技術進行設計實踐與探索。“泡泡義肢”的設計以泡泡這一充滿童趣的事物為元素，力求幫助截肢兒童轉移對自身身體殘疾的過多關注，緩解其心理上的壓抑、痛苦與自卑等情緒。該義肢的模數單元體之間的膠著與衍生既是表皮肌理，也是結構的輔助支撐。

（一）泡泡義肢的具身設計策略

泡泡義肢的具身設計策略根據兒童的具身需求而形成，包括突出情感訴求、增強舒適度以及實現智慧交互、智能感知三個方面。

第一，突出泡泡義肢的情感訴求。筆者及團隊從兒童對義肢的感官體驗中關注和分析其情感訴求，考慮到視覺因素對兒童情感的影響，從而通過義肢的形態和色彩來突出泡泡義肢的情感訴求。形態富有創意和色彩明亮的義肢往往能夠讓兒童在認知和使用時充滿樂趣，更易接受，更有利于積極作用于兒童的心理和情感。因此我們為泡泡義肢設計了立體的肌理和活潑的形狀，使得義肢被觸摸時更具親和力，給人以踏實平和的心理暗示。而泡泡義肢的顏色會根據兒童喜好為其定制，以滿足其情感需求。

第二，通過結構一體化，增強泡泡義肢的行走舒適度與靈活性。一般來說，義肢的整體結構主要包含接受腔、外部形態、支撐結構和假體腳部等部分。其中，假體腳部主要有實心腳踝緩沖腳跟（Solid Ankle Cushioned Heel）、單軸或多軸腳部以及彈性龍骨腳（Elastic Keel Foot）等不同的結構種類［13］。出于對行走舒適度的考慮，我們設計泡泡義肢時在腳部使用了彈簧緩沖系統的結構來模擬人腳的肌腱，并通過關節球、可拆卸和連接的金屬支撐物等部件與關節腔、外部泡泡形態形成整體，在使用過程中使其盡量接近實際的步行感覺。另外，結構一體化設計借助智能設備的支持，可以積極提升使用者行走及運動平衡性、使用安全性和穿脫便利性。

第三，泡泡義肢使用智慧交互系統，使兒童與義肢不論在生理還是心理上都進一步結合，以此實現智慧交互、智能感知。首先，該義肢包含記錄健康數據的傳感器，通過手機藍牙就能夠接收到兒童康復訓練的數據信息，還可通過后期程序的開發，設定不同的訓練模式，逐漸降低兒童的畏難心理，提升其康復參與性與運動積極性。其次，結合當下疫情的背景，我們在該義肢的支撐結構中設置了自動消毒噴灑裝置，可通過壓力傳感調節器調節此裝置的力度與角度，對義肢內部及外部進行自動清潔。

（二）泡泡義肢的設計與打印方法

泡泡義肢的外觀設計通過模擬泡泡生成漫延的動態形式，從整體把握不同的結構要素，用模數單元體的變化與堆疊營造活潑的感覺和視覺上的層次感，同時發揮3D打印的優勢，融入適配設計的方法，形成一體化設計。

泡泡義肢使用了選擇性激光燒結工藝進行打印，成型材料使用尼龍粉末，打印樣品精細度高、韌性好。在觸覺上，尼龍材料不僅可以避免傳統義肢材料的冰冷感，又便于后期噴繪定制化色彩。對于截肢兒童來說，義肢是身體的共生體，而泡泡義肢設計整合了感官、功能以及情感等多維因素，滿足了兒童對義肢身心一體的具身需求，是一次跨界設計的成功嘗試。

五、結語

3D打印技術的定制化程度高、耗費成本低、制作時間短等特點，預示著這一技術在義肢設計和生產領域具有極大的應用潛力與前景。對兒童義肢的設計和制作，不應該僅僅考慮其使用需求，而更應關注其身心的需求，促使兒童從內心認可和接受義肢，同時幫助其消除自卑的情緒。在具身視角下，人作為“整全的人”，身體作為身心整全的基礎，更加強調義肢使用的身體體驗，而通過這些身體體驗反饋出來的各種具身需求，也促使義肢設計者設計和制作出適合的產品。通過兒童義肢設計實踐，筆者及團隊得以進一步審視并反思具身視角下兒童這一特殊群體所需義肢的設計方法與策略，而3D打印技術則為此設計探索提供了契機。

注釋：

[1] VIJAYAVENKATARAMAN S，FUH J Y H，LU W F，et. 3D Printing and 3D Bioprinting in Pediatrics[J]. Bioengineering，2017，4（3）：63.

[2] JELLE T K，GERWIN S，PAUL B. 3D-printed upper Limb Prostheses：A Review[J]. Disability and Rehabilitation：Assistive Technology，2017，12（3）：300-314.

[3]徐貴升，徐猛賢，區國集，等.中國首例3D打印假肢臨床報告[J].中國矯形外科雜志，2016，24（8）：766-768.

[4] VARELA F J，THOMPSON E，ROSCH E. The Embodied Mind：Cognitive Science and Human Experience （Revised Edition）[M]. Cambridge，Massachusetts：MIT Press，2017：212-214.

[5] LINDGAARD K，WESSELIUS H. Once More，With Feeling：Design Thinking and Embodied Cognition[J]. She ji：The Journal of Design，Economics，and Innovation，2017，3（2）：83-92.

[6] MCNERNEY S. Embodied Cognition and Design：A New Approach and Vocabulary [EB/OL].（2013- 05-10）[2021—01—28].https：//bigthink.com/insights-of-genius/embodied-cognition-and-design-a-new-approach-and-vocabulary.

[7] THOMAS V R，LUDDEN G. Types of Embodiment in Design：The Embodied Foundations of Meaning and Affect in Product Design[J]. International Journal of Design，2015，9（1）：1-11.

[8] LAMBERT C N，SCIORA J. A Questionnaire Survey of Juvenile to Young-adult Amputees Who Have Had Prostheses Supplied Them Through the University of Illinois Division of Services for Crippled Children[J]. The Journal of Bone and Joint Surgery，1959，41（8）：1437-1454.此研究顯示，下肢佩戴義肢的人在5歲以前平均每年需要更換一個新的義肢，從5至12歲平均兩年更換一次，12至21歲平均3到4年更換一次。

[9] BURN M B ，TA A，GOGOLA G R. Three-dimensional Printing of Prosthetic Hands for Children[J]. Journal of Hand Surgery，2016，41（5）：e103-e109.

[10] ALLEN E. First 3D-Printed Sensor-Operated Prosthetic Arm for Toddlers Prototyped by UK Engineers [EB/OL].（2020-01-13）[2021-01-28]. https：//news.lincoln.ac.uk/2020/01/13/first-3d- printed-sensor-operated-prosthetic-arm-for-toddlers-prototyped-by-uk-engineers/.

[11] ZUNIGA J M ，PECK J，SRIVASTAVA R，et. An Open Source 3D-printed Transitional Hand Prosthesis for Children[J]. Journal of Prosthetics and Orthotics：JPO，2016，28（3）：103-108.

[12]李嵇揚.用戶體驗背景下的產品創意設計探討——以兒童3D打印義肢為例[J].中國培訓，2016（18）：24-25.

[13] JAY M，ANDREW P，JESSICA H. Microprocessor Lower-Limb Prosthetics：Review of Current State of the Art[J]. JPO：Journal of Prosthetics and Orthotics，2010，22（3）：183-193.