神奇的軟體康復機械手套——采用ACEO® 有機硅3D打印的軟體機器人

3D打印快訊
2019
10/19
09:20
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來源:瓦克化學

近年來,Soft Robotics技術發展迅猛。與傳統的機器人不同,軟體機器人具有高度靈活、操作安全、重量輕、制作簡單和制造成本低等優勢,其應用場合目前主要在于各種工業抓手和醫療/康復裝置。軟體機器人的核心部件由柔性材料組成,如何選擇合適的材料及制作方法,使之既能滿足設計要求,又能承載應有的功能。本文介紹了由香港中文大學湯啟宇教授及其團隊發明的軟體康復機械手套,其中用ACEO® 3D打印有機硅制作的軟體驅動單元為我們提供了一個新的思路和方案。

軟體康復機械手的最新發展
中風是引致殘障的主要原因之一,全球每6秒就有一人中風,其中一半發生在中國。手部癱瘓是常見且棘手的中風后遺癥之一,中風發生后的前3個月是手部功能可能恢復到最佳狀態的黃金康復期。研究表明,通過受損手部相同、重復的運動可使腦部逐漸感知并恢復運動控制機能,從而促進中風后的康復。目前,已有多款手部康復裝置被開發出來,以期替代昂貴而費時的理療師工作。但是,現有的裝置份量重、體積大,而且多數并不能在日常生活中為患者提供輔助,如持拾簡單物件,這也是由中風后手部痙攣狀態導致的一個難題。

近期,由香港中文大學湯啟宇、李崢教授和他們的團隊發明的一款有機硅3D打印軟體康復機械手套很好地解決了這些問題。這款輕巧的軟性機械手套可根據患者手指和手掌的尺寸度身訂造,它采用了瓦克ACEO®有機硅3D打印技術,用軟膠驅動器輔助患者控制他們的手部肌肉彎曲和伸展手指,幫助改善患者在日常生活中的手部活動能力,也為患者提供了一個可個人定制且價格實惠的康復訓練方案。在2019年4月舉辦的第47屆日內瓦國際發明展上,此款軟體機械手套獲得了銀獎。



ACEO®有機硅3D打印
之所以采用3D打印來制作機械手套的軟膠驅動器,是因為傳統的開模制作所需的步驟多、時間長。3D打印則可以減少制作軟膠驅動器的步驟,大大縮短制作周期。此外,3D打印還提供了設計方面的自由。ACEO®獨特的按需噴墨技術,使得前所未有的產品設計和復雜的幾何結構(如鏤空、飛檐等)得以實現,同時保留了有機硅的優異性能,如高彈性、耐熱、耐紫外、抗拉伸和壓縮形變等。這些性能可以在整個ACEO®打印過程中得以保留,因此瓦克的3D打印產品可媲美采用注塑成型或快速模壓成型等工藝制作的物品。



據此項發明團隊的主要成員、香港中文大學博士研究生香皓林介紹,其設計的軟體驅動器所需的材料,重點在于大幅變形情況下,材料所能提供的延伸率及耐久性。在未啟用ACEO® 3D打印有機硅之前,團隊還試用了其他兩家3D打印廠家提供的類似橡膠材料,但是這些產品的耐久性都很低,無法支持大幅變形。“我們需要能夠長時間承受高強度壓力和大幅度變形的有機硅,我們發現ACEO®3D打印的有機硅可以滿足這些要求,”香皓林解釋道。

軟膠驅動器及其發展前景
軟膠驅動器包含了一個有機硅彈性氣囊,在部件的底部還有一片不可延展的壓條,起到扭矩補償的作用。當氣囊被施以流體(液體或氣體)壓力時,氣囊會朝著壓條一側卷起,驅動器因而帶動手指彎曲。在流體壓力減壓后,氣囊則使戴著此裝置的手指伸展,從而協助患者完成一個完整的開合手動作。

日前,一名中風患者在戴上了此款裝有軟膠驅動器的軟體康復機械手套后,可以順利開合手掌,而且成功地抓起一枚中國象棋棋子,并與另一正常的手配合擰毛巾。

“我們還在對彎曲運動時材料的耐久性和延伸率進行改進。如果材料強度足夠,我們就可以對軟膠驅動器施以更大的壓力,從而進一步提升其輸出力度。”香皓林表示,“我們也希望可以一次性3D打印更多數量的軟膠驅動器。當然,即便是商業化大規模生產時,品質依然是第一要素。”

鳴謝:
香皓林,香港中文大學生物醫學工程學系博士研究生
軟體康復機械手套圖片及視頻均由香皓林博士研究生提供

參考資料:
Heung HL, et al. (2019) Robotic Glove with Soft-Elastic Composite Actuators for Assisting Activities of Daily Living. SOFT ROBOTICS, DOI: 10.1089/soro.2017.0125

Tang ZQ, et al. (2019) Model-based online learning and adaptive control for a “human-wearable soft robot” integrated system. Int J Robot Res. https://doi.org/10.1177/0278364919873379

Heung HL, et al. (2019) Design of a 3D Printed Soft Robotic Hand for Stroke Rehabilitation and Daily Activities Assistance (IEEE Int Conf Rehabil Robot, Toronto, Canada), pp 65-70.


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