神奇的軟體康復(fù)機械手套——采用ACEO® 有機硅3D打印的軟體機器人

來源：瓦克化學(xué)

近年來，Soft Robotics技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)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(yōu)勢，其應(yīng)用場合目前主要在于各種工業(yè)抓手和醫(yī)療/康復(fù)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(shè)計要求，又能承載應(yīng)有的功能。本文介紹了由香港中文大學(xué)湯啟宇教授及其團隊發(fā)明的軟體康復(fù)機械手套，其中用ACEO® 3D打印有機硅制作的軟體驅(qū)動單元為我們提供了一個新的思路和方案。

軟體康復(fù)機械手的最新發(fā)展
中風(fēng)是引致殘障的主要原因之一，全球每6秒就有一人中風(fēng)，其中一半發(fā)生在中國。手部癱瘓是常見且棘手的中風(fēng)后遺癥之一，中風(fēng)發(fā)生后的前3個月是手部功能可能恢復(fù)到最佳狀態(tài)的黃金康復(fù)期。研究表明，通過受損手部相同、重復(fù)的運動可使腦部逐漸感知并恢復(fù)運動控制機能，從而促進中風(fēng)后的康復(fù)。目前，已有多款手部康復(fù)裝置被開發(fā)出來，以期替代昂貴而費時的理療師工作。但是，現(xiàn)有的裝置份量重、體積大，而且多數(shù)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(fēng)后手部痙攣狀態(tài)導(dǎo)致的一個難題。

近期，由香港中文大學(xué)湯啟宇、李崢教授和他們的團隊發(fā)明的一款有機硅3D打印軟體康復(fù)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(jù)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(shù)，用軟膠驅(qū)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(fù)訓(xùn)練方案。在2019年4月舉辦的第47屆日內(nèi)瓦國際發(fā)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(qū)動器，是因為傳統(tǒng)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(qū)動器的步驟，大大縮短制作周期。此外，3D打印還提供了設(shè)計方面的自由。ACEO®獨特的按需噴墨技術(shù)，使得前所未有的產(chǎn)品設(shè)計和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（如鏤空、飛檐等）得以實現(xiàn)，同時保留了有機硅的優(yōu)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(chǎn)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(jù)此項發(fā)明團隊的主要成員、香港中文大學(xué)博士研究生香皓林介紹，其設(shè)計的軟體驅(qū)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(qū)動器及其發(fā)展前景
軟膠驅(qū)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?shù)淖饔谩．?dāng)氣囊被施以流體（液體或氣體）壓力時，氣囊會朝著壓條一側(cè)卷起，驅(qū)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(xié)助患者完成一個完整的開合手動作。

日前，一名中風(fēng)患者在戴上了此款裝有軟膠驅(qū)動器的軟體康復(fù)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(qū)動器施以更大的壓力，從而進一步提升其輸出力度�！毕沭┝直硎荆�“我們也希望可以一次性3D打印更多數(shù)量的軟膠驅(qū)動器。當(dāng)然，即便是商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)時，品質(zhì)依然是第一要素。”

鳴謝：
香皓林，香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系博士研究生
軟體康復(fù)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.