基于选择性激光烧结技术的牵引式义肢设计研究

赵阳臣 范颖

摘要：本文以南京艺术学院无障碍设计工作坊的研究、实践为基础，探究在数字技术盛行的时代下，手部残疾者的义肢设计策略。工作坊通过数据调研与归纳分析的方式，挖掘出传统义肢器具的局限性以及患者的实际需求，并在设计实践中发挥数字设计与数字制造工艺的优势，探索将3D打印等数字技术融入义肢设计的可能性，从用户生理与心理的角度出发，展开如何利用数字技术全方位拓展优化义肢形式与性能的讨论。

关键词：3D打印 无障碍设计 牵引式义肢 选择性激光烧结技术

南京艺术学院于2019年10月开展了无障碍设计工作坊，工作坊以数字设计与3D打印技术作为研究主题，以无障碍器具设计作为研究课题，旨在将参数化设计、拓扑生形等数字设计手段与当下前沿的3D打印工艺技术相结合，挖掘3D打印在医疗器具设计领域中的应用潜力。

一、义肢设计现状调研

1.受众调研

手部残疾是人类功能性残疾的常见种类。对于患者来说，手部残疾不仅意味着生活中自理能力与生产能力的丧失，也意味着需要面对家人朋友长期的帮助以及与社会脱节等多方面因素带来的心理压力。义肢作为残障人士的辅助器具，有着上千年的发展历程，其设计也承载着社会责任与人文关怀。

本次工作坊受邀参与了强生集团的“展翼计划”。“展翼计划”致力于制作简易经济的开源义肢以帮助众多残疾的青少年儿童。在参与该项目的过程中，笔者接触了很多低龄儿童手部残疾的案例。这些儿童的残疾有的是天生畸形，也有因为遭遇事故导致其失去手部功能的。由相关组织介入并经过儿童家长同意后，一些儿童开始使用开源的3D打印义肢。该义肢不但能满足使用者部分日常生活自理的需要，甚至还能进行玩耍。笔者对“展翼计划”提供的义肢样本资料进行了研究和分析，发现使用此类义肢虽然能在一定程度上解决儿童生理缺陷所带来的生活障碍，但是依然存在一系列问题。一方面，这些被选中体验义肢的儿童，家庭条件大都不富裕，而儿童成长需要不停更换义肢，这对于一般家庭来说无疑是巨大的经济负担。另一方面，传统义肢并不能缓解残疾儿童心理层面的问题。这些问题不仅针对儿童，对于其他手部残疾人士同样存在。

2.市场调研

笔者通过市场调研发现，目前市面上主要有三种义肢类型。第一种是装饰性义肢，该类义肢通常具备美观的外形，有较高的形式美感，但通常实用性不高，大多无法满足使用者的日常活动需求；第二种是牵引式（或称为索控式）义肢，其可以满足使用者基本的日常需求，但由于机械构件复杂，组装很困难；第三种是肌电式义肢，有着很好的使用效果，但通常制作成本高，价格昂贵。

笔者通过对手部残疾群体进行心理和外在客观条件的分析，归纳出了手部残疾人士购买义肢最关注的要素：第一，从性能角度看是否易用，是否能够满足日常活动的需要；第二，是否有较高的性价比；第三，形式上是否美观，是否能提升使用者的自信心。这些要素为未来的义肢设计与优化指明了方向，如何在使用性能、性价比、形式美感等要素之间达到平衡，是未来义肢设计需要着重思考的问题。

二、义肢设计结构策略研究

本次设计实践以牵引式结构作为义肢基本的机械原理。牵引式义肢是通过机械控制来完成一些基本的手部动作，一般通过身体其他部位或外在动力源牵引义肢上的牵引绳来实现手部动作。“展翼计划”提供的义肢样品是较为常见的牵引式义肢（图1），以应对手部残疾（先天性手指发育不全）带来的不便。该义肢在手腕处设计了活动关節，这样在手腕动时，牵引绳索利用滑轮原理带动手指运动，从而实现抓取动作。这一设计原理简单，易于维护，且有拓展改造的空间，能将绳索作为独立的动力源，同时加装肌电感应芯片即可升级为肌电式义肢。

义肢作为典型的残疾辅助器具，其自身具有特殊性。义肢在生产准备阶段大多需要通过用户提供的数据进行客制化生产，用户会根据自身情况的变化更换义肢产品。这种特殊性使义肢有着非标准化的需求，这一点对于装饰性义肢而言影响不大，但对于牵引式义肢和肌电式义肢的生产而言存在一定困难。这两种义肢构造的复杂性使得义肢器具需要在复杂结构的基础上呈现出非标准化特点，这对于大规模生产而言是巨大的挑战。尽管每一个义肢使用的零件形态差异很小，但因为不同人的身体条件不同，甚至每个人的自身条件也在发生变化，因此传统的铸模生产无法适用于义肢的制造生产。

3D打印技术在医疗器具中的应用能够发挥其数字设计与数字制造工艺的优势，解决由差异性导致的难以批量生产的问题，实现设计生产一体化。目前，3D打印技术多用于医学领域特别是骨科修复方面。3D打印的介入不仅提升了患者的器具使用体验，也为数字设计特有的复杂性义肢形式提供了解决方案。随着3D打印技术的发展，产品打印精度飞速提升，价格日趋下降，这使义肢设计拥有更多的可能性。因此，3D打印技术的介入使义肢设计中的诸多问题迎刃而解，该技术在医疗器具领域展现出无穷的应用潜力。

三、实践作品分析

基于以上调研分析，本次实践设计作品综合考虑到3D打印技术有高度自由的造型能力与高性价比的优势，因此将3D打印技术与牵引式结构结合，尝试利用数字设计与数字制造工艺的技术优势，解决现阶段义肢器具存在的问题。同时综合考虑义肢原型的特征，并根据光韵达数字医疗中心调研的信息，初步判断成品义肢需要有以下特征：第一，使用方便且价格能为使用者普遍接受。此特点是延续了原型义肢客制化、轻量化、低成本的优势。第二，具有整体化、富有表现力的造型语言。此特点基于原型义肢使用者所提出的审美与社交的需求。第三，设计制作一体化。此特点为解决原型义肢结构复杂、不易组装的缺陷。以下将结合工作坊义肢作品Cyclone（《气旋》，图3），从设计概念、设计形式、材料工艺等多角度进行讨论。

1.义肢设计缘起

Cyclone造型设计的灵感来源于气流的流线形态，作品名“Cyclone”一词意为从手部过渡而来的气旋，形成手背与手臂的形态，气旋包裹着手臂，呈现出轻盈的流线美。具有形式美的义肢不再只是辅助行动的工具，其同样可以起到装饰作用，从而能在一定程度上为残疾人士增添自信心。因此，优美的形式是义肢个性化的关键。

义肢设计初期，设计者对既有义肢产品（包括概念作品）的造型语言进行研究，发现义肢作为功能性用具的同时，还拥有成为艺术媒介的可能。如将义肢视为精致的手工艺制品，或视作工业制品，强调其工业质地等（图4），这表明了义肢有成为艺术载体的可能。因此，本次设计将小臂肌肉的扭转特征作为一种具有仿生特质的结构，并进行整体化组织，结合作品轻量化的需求，形成Cyclone轻盈、流动、旋转的概念，制作时使用壳体对设计进行进一步的深化。

2.义肢形式生成

设计者可在设计前期使用3D扫描的方式，获取使用者残疾处的三维信息模型，根据使用者身体数据提出个性化的义肢设计方案，从而确保义肢接受腔与使用者身体的高度契合。本次设计采用典型的数字设计方法——拓扑生形，通过建立多边形平滑细分的方式实现复杂异形的形式塑造。先要通过多边形建模原理布线建立拓扑结构，同时确定硬边营造流线型效果，反复推敲造型与拓扑结构，一步步细化方案，确定最终结果。为确保义肢在结构上满足使用者需求，需用力学分析软件对造型进行应力分析，通过应力图解找出造型中的脆弱位置，加以强化，并对受力较小的位置使用镂空工艺从而减轻器具重量。在完成整体造型效果后还需深化关节处节点，确保关节构件之间完全分离并保留0.8毫米以上的装配缝隙，以及为穿线预留孔洞，最终优化修复网格完成信息模型。拓扑数字雕塑技术为设计提供了更自由的发挥空间，让义肢形态变得更加丰富多元。

3.义肢构造处理

人的整个手臂分成三个部分：手掌、小臂和大臂。义肢使用的基本机械原理即通过曲肘动作带动义肢内部的牵引绳索，进而拉扯手掌达到抓握的目的。义肢整体由SLS（选择性激光烧结技术）打印，并通过一体化烧结成型。除了穿绳以外无须组装，不需要专业人员参与或指导，即使是不具有专业知识的使用者也能很好地掌握其使用方法。除此之外，可以在成品义肢的基础上加入机电技术，使义肢更加智能化。

残疾人士的生活需要面对生理与心理的双重压力，因此义肢除了满足日常生活需要之外，其设计也需要关注残疾人的心理层面。将显示屏幕融入义肢设计，使义肢具备信息交互的功能，具有媒介性，能适当缓解残疾人因手臂的异样而产生的自卑感。手部的残疾让他们失去一些交流手段，部分残疾人因缺少社交，会产生心理疾病，而义肢上的显示屏幕可以通过自定义设置实现一定的社交功能。义肢的屏幕使用电子屏，通过不同颜色的显示（如蓝、绿、紫）来呈现信息状态，这里的信息可以是人的体温，也可以是其他自定义信息，这一点可以由使用者在明确隐私性后，自定义颜色显示所反映的内容，以避免信息外显带来不必要的困扰。虽然这里的屏幕作为侦测器外显设备并不能代替手机，但它可作為一种华丽的展示媒介，为义肢设计带来了更多可能性。

本次义肢设计除了满足手部残疾人士的日常使用之外，同时兼顾防疫需求。纳米金属作为广谱抗菌抑菌的材料，常用于制造手术刀等医疗器械，这里作为涂层喷涂于义肢上，为其提供了一层防护。紫外线作为二次消杀防护的重要手段，适用于平时不便于清洁义肢的使用者。

4.义肢制作材料与工艺

产品的制造工艺与材料的选择，直接决定了产品最后所呈现的形式与使用性能。本次设计在不同3D打印工艺与打印材料之间进行了对比。经分析可见，就义肢产品制造而言，SLS打印与SLA（立体光固化成型法）打印、FDM（熔融层积成型法）打印等相比有着明显的优势。首先，SLS打印相对于FDM打印、SLA打印有着极高的精度，可以精准打印复杂造型。SLS打印可以打印出0.4毫米以上的壁厚以及0.6毫米以上的间距，这意味着可以打印出更复杂的产品造型，远超我们对传统打印的想象。其次，SLS打印可以实现产品一体化成型，在传统3D打印预制构件的过程中，需采用先预制后组装的工艺方式，一些无支撑的结构在打印时需要进行设计支撑。而SLS打印工艺能够在预留空隙的情况下进行一体化制造，并在无须支撑的情况下，进行可活动构件打印。因此当此技术应用于义肢打印时，就解决了前文所提到的组装问题，实现一次成型，后期无须人工再次组装，大幅度提升了生产效率。最后，SLS打印所使用的尼龙材料具备更好的耐久性。传统SLA打印常用的树脂以及FDM打印常用的PLA、ABS塑料等普遍存在变色、变形等问题，而SLS打印使用的尼龙材料在长时间室外条件下，还能维持原本的颜色与强度，延长了产品的使用寿命。综合以上因素的对比分析，本次设计采用SLS打印工艺，打印材料选用尼龙。

5.义肢数字制造

数据作为信息媒介，在数字设计与数字制造之间建立起直接的关联。基于拓扑生形的数字设计方法得出的信息模型经过优化调整可直接用于3D打印。本次作品在设计过程中进行了多次机械构造实验，通过SLS打印机进行局部尼龙打印完成实验小样，并测试牵引能否顺利操作、关节是否可以灵活运动以及是否适宜穿戴。义肢长度设计为590毫米，从现有的工艺技术条件看，虽然大型激光烧结3D打印机可以满足该尺寸的打印需求，但是考虑到打印成本等多方面因素，最终对模型进行了分割并采用容量为400毫米见方的打印机进行打印。整个打印过程仅耗时一天，打印完成后只需穿线即可使用。基于SLS打印的义肢产品不仅满足了手部残疾人士的日常生活需求，同时还具有高性价比。以往我国有大量残疾人士因为经济条件或是地域发展等客观因素的限制，没能使用到功能合理且能满足自我认同的义肢产品。本次义肢设计的定位在于使用SLS打印技术的便捷性、数字雕塑的形态多元性来解决这一困境。整个手臂由3D打印激光烧结技术一体成型，SLS打印定制义肢相比于传统义肢成本更低且能为患者带来更优质的使用体验。

四、结语

材料科学与工艺技术的每一次革新都推动着设计方法的变革，SLS打印作为前沿的数字制造工艺，进一步完善了数字设计与数字制造的系统化工作流。SLS打印技术在医疗器具中的应用为当下义肢设计提供了新的可能性，为义肢开发者构建了一套从设计到制造一体化的数字设计方法。3D打印固有的复杂性、差异性等特征迎合了当今设计师对产品差异化、多元化的设计需求，顺应了预制化的制造趋势。SLS打印在医用器具领域中的应用进一步强化了3D打印的优势，其介入客制化义肢的设计已经成为一种必然的态势。同时牵引式机械义肢原理在义肢设计中有着广泛的适用性，可以很好地与3D打印工艺结合，由此不难看出二者结合时所产生的巨大优势。另外，设计方法的革新也使义肢的功能与定位发生改变，义肢等医疗辅助器具在未来不仅是用于弥补残疾人士的生理缺陷，还将帮助他们建立自信、辅助沟通，协助他们融入社会。

注释：

[1]陈志，张中根.一种轻量级智能义肢手简介[J].现代商贸工业，2018，39（33）：181.（表一中的“仿真手”即“义肢”，是手部残疾者所使用的人工假体。）

参考文献：

[1]周伟民，闵国全.3D打印医学[J].转化医学研究（电子版），2014，4（3）：58-62.

[2]姜杰，朱莉娅，杨建飞，等.3D打印技术在医学领域的应用与展望[J].机械设计与制造工程，2014，43（11）：5-9.

[3]张海荣，鱼泳.3D打印技术在医学领域的应用[J].医疗卫生装备，2015，36（03）：118-120.

[4]郎為民，徐延军.一本书读懂3D打印[M].北京：人民邮电出版社，2016.