深度研究：3D 打印腰部健康護(hù)具設(shè)計(jì)研究

作者：姚翔翔，   姚翔翔，李至惟，馬博文，劉一帆，黃睿資 （南京藝術(shù)學(xué)院）

1 3D 打印相關(guān)概述
被稱為“第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志”之一的 3D打印技術(shù)，隨著多年的不斷摸索和發(fā)展與進(jìn)步，其技術(shù)體系和材料創(chuàng)新時(shí)至今日更是層出不窮、日新月異，成為航天航空、汽車電子、生物醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域的熱門技術(shù)。而 3D 打印材料，包括可成型工藝更是憑借絕對(duì)的發(fā)展?jié)摿�，成為未來研發(fā)的熱點(diǎn)[1]。傳統(tǒng) 3D 打印材料（工程塑料、光敏樹脂、生物醫(yī)用高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等[2]）隨著科技的快速發(fā)展，逐漸從單一轉(zhuǎn)向多元復(fù)合，復(fù)合材料通過彼此性能上的取長補(bǔ)短，可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使綜合優(yōu)勢(shì)更加突出[3]。

可成型工藝主要瞄準(zhǔn)同一材料的構(gòu)造變更，是針對(duì)同一材料的 3D 打印設(shè)計(jì)改良。持續(xù)的研究，比康奈爾大學(xué)的 3D 打印金屬新技術(shù)研究、普渡大學(xué)的多激光 3D 打印研究、凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的類骨骼 3D 打印聚合物研究等，一直是近年來科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研究課題[4]。

對(duì)于以造型擅長的設(shè)計(jì)專業(yè)，工作坊課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)放在了“設(shè)計(jì)改良”部分。相關(guān)材料和工藝的思考側(cè)重于普材的適應(yīng)性應(yīng)用，選擇了 3D 打印兩項(xiàng)常規(guī)的快速成型技術(shù)：SLS（Selective Laser Sintering） 與 SLA（Stereo Lithography Appearance），即選擇性激光燒結(jié)和光固化成型技術(shù)。其中，SLS 打印材料選擇的是工程塑料中的結(jié)晶性高分子尼龍（PA），SLA選擇的是高分子聚合物光敏樹脂（UV 樹脂）。SLS（Selective Laser Sintering）選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，是指以粉末為原料，通過對(duì)數(shù)據(jù)模型分層切片信息的激光掃描燒結(jié)，一層層堆積成型；待燒結(jié)完畢，去除掉未燒結(jié)的粉末，取得成品。優(yōu)點(diǎn)在于速度快、精度高、材料適應(yīng)性廣，兼具柔韌性、自潤滑性、耐磨性、耐化學(xué)性、氣體透過性、耐油性以及容易著色等優(yōu)點(diǎn)的尼龍（PA），是能夠滿足 SLS 加工成型要求，應(yīng)用最為廣泛的高分子材料種類[5]。

SLA（Stereo Lithography Appearance）光固化成型技術(shù)是指借助光敏樹脂這一特殊的熱塑性高分子聚合物的兩大特性：基礎(chǔ)控制條件下具有較好可塑性和流動(dòng)性，以及在光照條件下可發(fā)生聚合或者固化進(jìn)而體現(xiàn)出快速凝固的能力；打印系統(tǒng)包含單體、預(yù)聚物和光引發(fā)劑；通過紫外光斑掃描光敏樹脂“凝固”成型。光固化 3D 打印流程見圖 1，經(jīng)過技術(shù)的不斷更迭，SLA 現(xiàn)已是高精度人體組織工程、精密器械等的制造首選技術(shù)[6]。

圖 1 光固化 3D 打印流程圖

2 腰部健康護(hù)具市場需求分析
2.1 研發(fā)必要性
在日常生活中除了仰臥姿態(tài)，大部分時(shí)候人體的腰部都在承受著全身 60%以上的重量和壓迫。在長時(shí)間的工作中，坐姿狀態(tài)下腰部承受的壓力更是站姿的1.5 倍以上。據(jù)資料顯示，腰背疼痛影響著世界 60%~ 80%的人口，60 歲以上老人從未患過頸肩和腰腿痛的人幾乎為零，其中約 20%終身難愈，西方總發(fā)病率為15.2%~30%，國內(nèi)腰痛患病率達(dá) 42.7%~72%[7]。目前職場中人均每天工作 8.66 小時(shí)，各類腰部疾病已經(jīng)成為常見的病痛之一[8]。除了工作勞累外，生活壓力較大、不健康的生活方式、長時(shí)間開車、坐姿不正確以及缺乏有效鍛煉等都是罹患慢性腰痛的因素。這些因素導(dǎo)致腰部相關(guān)疾病的發(fā)病率逐年上升，且病齡日趨年輕化[9]。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)信息顯示，人體有 85%的疾病由脊椎關(guān)節(jié)錯(cuò)位而導(dǎo)致：正常脊柱如果失去力學(xué)動(dòng)態(tài)平衡將會(huì)出現(xiàn)肩頸、腰腿疼痛等病癥，而腰椎間盤是脊柱承受壓力、維持穩(wěn)定的主要部分，若腰部出現(xiàn)問題，將會(huì)導(dǎo)致脊柱更深層問題的出現(xiàn)[10]。

腰椎病患者長期處于病痛之中，勢(shì)必對(duì)心理健康與生活品質(zhì)產(chǎn)生諸多的負(fù)面影響。因而，在日常生活中需要借助外部穩(wěn)定性因素——腰部健康護(hù)具來承托支撐腰部，緩解壓力，減輕疼痛。2022SINC 第五屆上海國際護(hù)理大會(huì)，朱曉穎[11]曾以腔鏡外科醫(yī)生為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，提出久坐人員佩戴預(yù)防性腰托能夠更好地控制腰部疼痛癥狀，改善腰部功能，降低腰肌勞損發(fā)生率。一款品質(zhì)設(shè)計(jì)優(yōu)良的腰部健康護(hù)具，不但可以治療、緩解并預(yù)防腰部脊椎相關(guān)疾病，改善疼痛癥狀，其本身的裝飾、美化作用所帶來的健康體驗(yàn)感，更可以減少因病痛而導(dǎo)致的心理負(fù)擔(dān)與痛感恐懼。

2.2 市場現(xiàn)狀
目前市面上的腰部健康輔助產(chǎn)品主要包含預(yù)防使用的腰靠、腰墊，以及以治療、康復(fù)訓(xùn)練為主的鞍式腰托、藥磁腰托兩大類。

普通的腰靠、腰墊，因功能單一故而價(jià)格相對(duì)低廉。在材質(zhì)上通常有羽絨、海綿、棉花、PP 棉、乳膠等類別可供選擇；在制作工藝方面，常加工成曲線型以貼合腰部生理結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品尺寸和指標(biāo)通常依靠平均數(shù)據(jù)統(tǒng)一設(shè)計(jì)加工而成。標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程帶來規(guī)格化的外觀，雖然不可能完全貼合每個(gè)病患的腰部實(shí)際，適應(yīng)性欠缺，但勝在功能要求不嚴(yán)，僅從使用體驗(yàn)來看，基本能夠滿足“根據(jù)不同環(huán)境挑選心儀產(chǎn)品”的需求。

鞍式腰托是一種醫(yī)療輔具，主要是由患者主控的“自主性被動(dòng)鍛煉”外固定器康復(fù)支具，通過自我鍛煉的方式輔助治療腰部疾病。此種腰托便攜，使用方便，能夠根據(jù)自我意愿隨時(shí)固定或解除固定；在工藝上采用三點(diǎn)加壓原理更具穩(wěn)定性；能夠反復(fù)使用，大大降低了治療成本，制作流程見圖 2。但其外部美觀性與藝術(shù)性不足，產(chǎn)品也不能根據(jù)個(gè)人需要調(diào)節(jié)，提供不了更精準(zhǔn)的輔療效果。此外，石膏制作工藝復(fù)雜，制作時(shí)間長[12]。

藥磁腰托可以改善腰部功能和日常生活對(duì)腰部的作用力，配合醫(yī)生的療法能有效緩解腰椎間盤突出癥患者的疼痛，可以有效改善患者腰部功能及翻身、坐、站、行走等日常功能[13]。但藥磁腰托的使用必須有醫(yī)護(hù)人員的指導(dǎo)和幫助，否則較難完成；且其造價(jià)相對(duì)較高，一般在醫(yī)院進(jìn)行，方便性有所欠缺。與鞍式腰托一樣，藥磁腰托常規(guī)產(chǎn)品也不能根據(jù)個(gè)人需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供不了更精準(zhǔn)的輔助效果。綜上所述，目前市面上腰部健康輔助產(chǎn)品的缺陷集中表現(xiàn)在很難滿足個(gè)性與適應(yīng)性、藝術(shù)與功能性、單價(jià)與制造速度的平衡與協(xié)調(diào)三個(gè)方面。因此，拋卻雷同，另辟蹊徑才可能是設(shè)計(jì)有效的解決辦法，3D打印可成型工藝研究（同一材料的 3D 打印設(shè)計(jì)改良），也許是一個(gè)可行的方向。

2.3 3D 打印護(hù)具前景
科技的進(jìn)步讓類外骨骼式的支撐護(hù)具設(shè)計(jì)呈現(xiàn)成為可能，隨著 3D 打印技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)的跨界攜手，實(shí)現(xiàn)了“醫(yī)工結(jié)合”的跨學(xué)科交叉創(chuàng)新應(yīng)用，取得了眾多科研創(chuàng)新成果[14]，如圖 3 和圖 4。

圖 2 鞍式腰托模具的制作流程

在制作工藝方面，3D 打印技術(shù)流程簡便且快速、精準(zhǔn)，工藝適用性強(qiáng)，能夠滿足復(fù)雜曲面、鏤空等需求，如果設(shè)計(jì)合理可同時(shí)具備美觀性。在材料選擇方面，因腰部健康護(hù)具屬于外部器材，不需要生物相容性，故而對(duì)材料的要求相對(duì)單純，如上文所說，尼龍（PA）、光敏樹脂（UV 樹脂）非常適合作為支持此次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的主材。

圖 3 頸椎術(shù)后外固定支具

圖 4 肢體術(shù)后外固定支具

如能通過對(duì)模型的特殊設(shè)計(jì)，將數(shù)字設(shè)計(jì)、仿生學(xué)、3D 打印技術(shù)進(jìn)行有效融合，在滿足傳統(tǒng)支撐護(hù)具功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展有益于人體健康的附加效用，以平均數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)設(shè)置個(gè)性變量，最終應(yīng)當(dāng)可打印、組合、制造出成型精度理想、外觀效果良好、功能和適應(yīng)性俱佳的 3D 打印產(chǎn)品。這樣的護(hù)具產(chǎn)品穿戴舒適、制造簡化、效果精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)輕便，同時(shí)滿足了個(gè)性與適應(yīng)性、藝術(shù)與功能性、單價(jià)與制造速度之間的平衡與協(xié)調(diào)，勢(shì)必可以大幅提升產(chǎn)品的市場響應(yīng)度

3 腰部健康護(hù)具的設(shè)計(jì)策略
3.1 設(shè)計(jì)原則
基于目前腰部健康護(hù)具的研發(fā)與市場現(xiàn)狀，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)策略上，遵循有效、便捷、個(gè)性的設(shè)計(jì)原則。首先，產(chǎn)品須滿足基本的腰背助力需求，以具有一定的創(chuàng)新性的功能設(shè)計(jì)，從而有效環(huán)節(jié)腰椎壓力，達(dá)到用戶康復(fù)治療的目的；其次，產(chǎn)品須對(duì)人體腰背部結(jié)構(gòu)具有貼附性，在滿足穿脫便捷要求的基礎(chǔ)上嘗試添加尺寸調(diào)節(jié)或快速反應(yīng)功能，以確保用戶的穿戴體驗(yàn)；最后，基于基本功能要求與強(qiáng)度要求，倡導(dǎo)整“機(jī)”的結(jié)構(gòu)輕量化、集約化和個(gè)性穿戴的視覺美觀與時(shí)尚效果。

3.2 創(chuàng)意方向
目前市面上現(xiàn)有腰部護(hù)具的主要功能基本集中在支撐腰部肌肉方面，在該功能之上，嘗試添加穴位按摩功能以增強(qiáng)產(chǎn)品的深入對(duì)點(diǎn)理療性能。在穴位按摩方面，結(jié)合傳統(tǒng)中醫(yī)關(guān)于腰背穴位的相關(guān)理論與實(shí)踐，以現(xiàn)代化電脈沖理療儀的電脈沖裝置為技術(shù)依托，根據(jù)不同的病狀對(duì)不同的穴位進(jìn)行電脈沖按摩。產(chǎn)品在滿足治療與康復(fù)功能的同時(shí)，也可以起到舒緩與預(yù)防的作用，使產(chǎn)品針對(duì)性的康復(fù)治療或深入理療成為可能。

針對(duì)目前市面上腰部護(hù)具產(chǎn)品存在的如產(chǎn)品規(guī)格固定化、治療方式單一化等適應(yīng)性缺陷，考慮結(jié)合3D 打印技術(shù)與中醫(yī)穴位相關(guān)理論，在快速生產(chǎn)的基礎(chǔ)上同時(shí)滿足定制化與針對(duì)性的需求。在設(shè)計(jì)規(guī)格方面，根據(jù)不同用戶的年齡、性別、體形等個(gè)體區(qū)別數(shù)據(jù)，在 MAYA 中對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行整合歸納，并以此數(shù)據(jù)庫為依據(jù)對(duì)不同用戶的個(gè)體情況進(jìn)行參量個(gè)性化微調(diào)；在設(shè)計(jì)功效方面，依據(jù)中醫(yī)穴位理論對(duì)不同病狀進(jìn)行分類，并據(jù)此調(diào)整相應(yīng)的電脈沖穴位點(diǎn)位，最終利用 3D 打印技術(shù)打印出定制化、針對(duì)性的腰托。

3.3 技術(shù)可行性
穴位電脈沖護(hù)理法早在 19 世紀(jì)便應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。開始多用電針治療神經(jīng)痛和風(fēng)濕癥，其后電療法隨之產(chǎn)生并漸漸成熟。至 20 世紀(jì)初，學(xué)者嘗試將電療法用于細(xì)胞研究，發(fā)現(xiàn)其能夠使細(xì)胞膜通透性增加，其后電脈沖化學(xué)療法被創(chuàng)立，開始將電脈沖與化療藥物相結(jié)合來治療腫瘤。到了 21 世紀(jì)初，電脈沖逐漸被運(yùn)用于理療儀輔助臨床治療。電脈沖治療根據(jù)頻率可分為低頻、中頻和高頻電療法。其中理療儀多采用低頻周期信號(hào)調(diào)制中頻雙向脈沖的方式進(jìn)行治療。調(diào)制中頻電療法屬于中頻電療法的一種，采用1~150 Hz 的低頻周期信號(hào)調(diào)制中頻脈沖。該方法兼具中頻與低頻的優(yōu)點(diǎn)，且具有鎮(zhèn)痛、促進(jìn)血液循環(huán)、促進(jìn)淋巴回流、鍛煉骨骼肌、提高平滑肌張力、神經(jīng)節(jié)段反射、調(diào)節(jié)自主神經(jīng)功能、消炎等效果，臨床應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)疾病、軟組織疾病、NS 疾病、消化系統(tǒng)疾病、泌尿系統(tǒng)疾病等[15]。

現(xiàn)市面上的電脈沖理療儀一般按照體量大小進(jìn)行分類，大號(hào)理療儀不易攜帶但功能較齊全，小號(hào)理療儀多用于針對(duì)性病狀。電脈沖與腰托的結(jié)合，原理上即是將電脈沖理療儀的電極片連接至腰托上，在腰托的基礎(chǔ)功能之上，增添電脈沖按摩功能。

《靈樞經(jīng)》中提到：“膀胱足太陽之脈，起于目內(nèi)眥……是動(dòng)則病沖頭痛，目似脫，項(xiàng)如拔，脊痛，腰似折，髀不可以曲，腘如結(jié)，踹如裂，是為踝厥。是主筋所生病者……項(xiàng)、背、腰、尻、腦、踹、腳皆痛，小指不用。為此諸病，盛則瀉之，虛則補(bǔ)之，熱則疾之，寒則留之，陷下則灸之，不盛不虛以經(jīng)取之[16]�！辈浑y看出，足太陽腧穴主治各種腰背部疼痛，而足太陽經(jīng)一側(cè)共 67 穴，其中有 39 穴分布于人體腰背部，見圖 5。以此為依據(jù)，可于腰托內(nèi)側(cè)對(duì)電極片的點(diǎn)位進(jìn)行布置，使腰托的電脈沖按摩更針對(duì)人體穴位，更加利于用戶的康復(fù)治療或理療。

在滿足傳統(tǒng)腰部支撐護(hù)具使用功能的基礎(chǔ)上，還可以選擇性地增設(shè)技術(shù)細(xì)節(jié)。比如借鑒外骨骼研究成果，利用仿生學(xué)以及動(dòng)力學(xué)原理，在護(hù)具中加入能夠接受人體肌肉反應(yīng)和生理信號(hào)的傳感器，通過植入的傳感芯片對(duì)人體日常運(yùn)動(dòng)過程中的信息進(jìn)行捕獲與感知，經(jīng)由護(hù)具中芯片的數(shù)據(jù)捕捉、處理，以隨時(shí)掌用戶的肌體數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)反饋數(shù)據(jù)給予相應(yīng)的操作策略，見圖 6，更有效地進(jìn)行康復(fù)性復(fù)健保養(yǎng)。從前文的 3D 打印相關(guān)概述可知，3D 打印技術(shù)具備制備快、精度高、成材多、適性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來 3D 打印技術(shù)在醫(yī)療器械康復(fù)輔具領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。目前國內(nèi)外相關(guān)研究的主要對(duì)象多為假肢、矯形器、外固定支具等輔具，且部分研究成果已成功地應(yīng)用于臨床康復(fù)治療[19]。其種類繁多，且個(gè)體化差異較大，因此 3D 打印技術(shù)與個(gè)性化定制具有極高的契合度，這樣使通過 3D 打印技術(shù)定制不同身體尺寸的腰托成為可能。

圖 5 人體腰背部穴位分布圖[17]

圖 6 傳感原理示意[18]

腰托的常規(guī)尺寸范圍以上緣達(dá)肋下緣，下緣至髂前上棘，坐下時(shí)不碰到大腿為宜，松緊則以能塞進(jìn)一個(gè)手指為宜。在定制時(shí)設(shè)計(jì)變量主要包括產(chǎn)品護(hù)腰長度、用戶腰圍長度、腰脅變化曲度等，材料選擇兼顧透氣性、舒適性與一定程度的形變性。在“骨架”等模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)項(xiàng)不變的前提下，通過對(duì)參數(shù)和規(guī)格的調(diào)整，快速有效地對(duì)模型非基礎(chǔ)項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整，在保證關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

4 腰部健康護(hù)具的設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 信息整合
將前文所提及的身體相關(guān)數(shù)據(jù)以及社會(huì)調(diào)研得到的信息，結(jié)合身體結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)中醫(yī)穴位等信息，篩選并整合成一套信息流程，并繪制樹狀圖，見圖 7。

4.2 仿生結(jié)構(gòu)思考
肌纖維即肌細(xì)胞，呈長纖維狀，每條肌纖維可有上百個(gè)細(xì)胞核。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有大量肌原纖維，肌原纖維之間有肌質(zhì)網(wǎng)、線粒體、脂滴、糖原等，見圖 8。肌纖維組成肌束，以肌束為單元的肌纖維集合所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性與一定的韌性，能夠維持身體肌肉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并適應(yīng)各種肌肉的運(yùn)動(dòng)。仔細(xì)觀察肌纖維的截面，借鑒類似泰森多邊形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)腰托的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與延展強(qiáng)度的同時(shí)，更加契合 3D 打印技術(shù)的特質(zhì)且滿足輕質(zhì)化的新要求（見圖 9）。在以上基礎(chǔ)技術(shù)理論的支撐下，深入考慮產(chǎn)品人體工學(xué)與智能化相關(guān)的優(yōu)化方法。首先，出于對(duì)最大化發(fā)揮支撐護(hù)具功能的考慮，在原型方案的基礎(chǔ)上，參照肌肉在骨骼上的包裹方式（見圖 10），整體體量收縮至包覆、緊貼狀態(tài)，突出增強(qiáng)腰部支撐負(fù)荷力。

4.3 電脈沖設(shè)備植入
電脈沖設(shè)備的選擇結(jié)合了路超于其論文《多功能電脈沖理療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)以電脈沖模擬中醫(yī)按摩手法，其結(jié)果對(duì)腰托的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。在其實(shí)驗(yàn)中以調(diào)制中頻電療法為基礎(chǔ)，使用中頻脈沖為 1~10 kHz 的雙向?qū)ΨQ脈沖，采用了六種 0.5~50 Hz 低頻周期信號(hào)對(duì)中頻脈沖幅值進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)隔離反激式開關(guān)電源原理，設(shè)計(jì)了輸入

圖 7 設(shè)計(jì)研究的信息流程

電壓范圍寬、穩(wěn)定性好和效率高的±16.5 V 雙路輸出開關(guān)電源和 3.6 V 輸出的 DC-DC 變換電源電路等。一方面，采用 MSP430F4250 單片機(jī)設(shè)計(jì)了包含按鍵

圖 8 肌纖維結(jié)構(gòu)分解示意[20]

處理、DAC 輸出和 LCD 顯示的控制電路；另一方面，采用 TDA2030A 設(shè)計(jì)了波形放大電路，保證不失真?zhèn)鬏數(shù)耐瑫r(shí)提高驅(qū)動(dòng)能力。實(shí)驗(yàn)證明，開關(guān)電源效率在 82%~87%，輸出電壓紋波系數(shù)為 3.18%，負(fù)載調(diào)整率為 3.45%，輸出的波形與對(duì)應(yīng)的低頻調(diào)制波波形一致，并且具有明顯的中醫(yī)按摩效果[15]。目前市面上的電脈沖理療儀多為一個(gè)主電機(jī)帶轉(zhuǎn)接線連接電極片的形式。由于該種理療方式的理療時(shí)常通常在 20 min 左右，且理療時(shí)人體多處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以當(dāng)考慮將電脈沖設(shè)備與腰托結(jié)合的時(shí)候，傾向于一種電極片與電機(jī)可分離的模式：當(dāng)需要多功能模式理療時(shí)，腰托可通過轉(zhuǎn)接線連接上主電機(jī)進(jìn)行

圖 9 肌纖維-腰托結(jié)構(gòu)示意[21]

圖 10 人體脊柱、肌肉模型圖示[21]

不同模式或檔位的選擇，例如針對(duì)不同病狀或是不同力度；而在脫離主電機(jī)的狀態(tài)下，腰托仍可以依靠兩翼中間的自備電池進(jìn)行簡單理療按摩并持續(xù)供熱，以提供持續(xù)便捷的理療體驗(yàn)，見圖 11。

圖 11 實(shí)驗(yàn)腰托電脈沖點(diǎn)位及隱形腰帶示意

4.4 定制化分析
1）共性。生成的過程和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不變，設(shè)置調(diào)節(jié)點(diǎn)以應(yīng)對(duì)受用者不同身體數(shù)據(jù)的變化[22]，見圖 12。

圖 12 實(shí)驗(yàn)腰托基礎(chǔ)參量電池組示意

2）個(gè)性。選取特定的個(gè)案，根據(jù)受試者身體信息調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，生成個(gè)性模型[22]，見圖 13。

4.5 數(shù)字模型構(gòu)建
經(jīng)過對(duì)患者自身數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電脈沖設(shè)備植入設(shè)計(jì)[23]，整合歸納為復(fù)雜的信息系統(tǒng)。通過三維軟件 MAYA 以曲線的方式構(gòu)建出符合人體工程學(xué)與生態(tài)學(xué)的數(shù)字化模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)展出符合身體結(jié)構(gòu)的腰部健康護(hù)具形態(tài)[24]。設(shè)計(jì)模型草圖，見圖 14。

4.6 打印成型與整合
依前文所述，3D 打印選擇了 SLS（Selective Laser Sintering）高分子尼龍(PA)與 SLA（Stereo Lithography Appearance)光敏樹脂（UV 樹脂），根據(jù)腰部疾病者和日常預(yù)防人群需求的不同，可靈活選擇不同的材料，單獨(dú)或組合拼裝制作。針對(duì)有高質(zhì)量、可循環(huán)使用、幫助治療及日�；謴�(fù)需求的患者，推薦彈性好、強(qiáng)度高、重量輕但價(jià)格相對(duì)較高的尼龍作為打印主材；對(duì)于以日常理療、緩解疲勞、預(yù)防疾病為主的青少年，體重較輕、對(duì)強(qiáng)度要求不高的病患人群，推薦光敏樹脂材料，雖然彈性與強(qiáng)度相對(duì)尼龍較差，但價(jià)格更為經(jīng)濟(jì)[25]。

圖 13 實(shí)驗(yàn)腰托參量調(diào)整變化示意

圖 14 實(shí)驗(yàn)腰托模型呈現(xiàn)

圖 15 實(shí)驗(yàn)腰托模特佩戴圖

在設(shè)計(jì)的過程中，整套電脈沖裝置是根據(jù)受眾個(gè)體的身體數(shù)據(jù)，直接并入腰托模型，最終一體化打印成型的。實(shí)驗(yàn)腰托模特佩戴圖見圖 15。

4.7 功效驗(yàn)證與測試
尋找了 12 位設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生（長期電腦操作使用者），對(duì)兩種不同材質(zhì)（尼龍和光敏樹脂）的打印產(chǎn)品功效進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表 1 和圖 16，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

4.8 技術(shù)性特征總結(jié)
可成型工藝（同一材料的 3D 打印設(shè)計(jì)改良）配合人體仿生學(xué)成就了產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)制作的完成。綜合實(shí)驗(yàn)腰部護(hù)具的技術(shù)表現(xiàn)性，主體部分的技術(shù)性設(shè)計(jì)有 3 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

其一，生物定制化使產(chǎn)品主體部分能夠調(diào)整至完美貼合腰部，并進(jìn)行相應(yīng)的支撐，分散壓力，從而改善人體腰部的受力狀況，并且可以根據(jù)用戶的身體數(shù)據(jù)（年齡、高矮、胖瘦、性別等因素）調(diào)整腰托整體的弧度、寬度、高度數(shù)據(jù)，做到一對(duì)一個(gè)性化定制。

其二，產(chǎn)品置入傳感與電脈沖設(shè)備，能夠依據(jù)人體的坐姿、站姿等行為信息數(shù)據(jù)，對(duì)壓力過大、不正確坐姿、壓力時(shí)間過長等有損健康的行為進(jìn)行提示；并可依據(jù)實(shí)時(shí)接收的感應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)適合部位進(jìn)行穴位刺激，舒緩腰部肌肉，依托科技手段實(shí)現(xiàn)智能調(diào)整功能。

其三，產(chǎn)品的佩戴和使用方式有所創(chuàng)新，不僅可以用碳纖維綁帶穿戴，還可以置于椅子上作為靠墊，能夠滿足不同人群對(duì)于產(chǎn)品的不同需求，見圖 17。

表 1 3D 打印腰部護(hù)具測試記錄表

圖 16 實(shí)驗(yàn)腰托功效滿意度

圖 17 實(shí)驗(yàn)腰托的靠墊使用展示

5 結(jié)語
“3D 打印腰部健康護(hù)具設(shè)計(jì)研究”利用了 3D 打印技術(shù)的便捷性特點(diǎn)和可定制特點(diǎn)，為無障礙產(chǎn)品的研發(fā)和探索提供一種可定制化的產(chǎn)品導(dǎo)向。一方面3D 打印技術(shù)豐富了產(chǎn)品材料的多樣性，如輕量化材料、擬真化材料，還有貼近人體皮膚的柔性材質(zhì)等，產(chǎn)品風(fēng)格也因此出現(xiàn)了個(gè)性化、多元化的趨勢(shì)；另一方面，3D 打印產(chǎn)品零件可拆卸組裝、可私人定制的特點(diǎn)，使護(hù)具得以滿足更多樣的功能需求，護(hù)具受眾群體大大增加。3D 打印在造型上的自由度以及打印材料的多樣性，是產(chǎn)品形式多樣化的直接動(dòng)因，在審美和視覺層面讓護(hù)具這類易忽視形式美感的產(chǎn)品，如今能夠做到科技、功能、審美三方面的統(tǒng)一[26]。未來的 3D 打印發(fā)展方向，材料研究仍將是重點(diǎn)，除了材料的多元化、智慧化，技術(shù)的互動(dòng)、增效也必會(huì)更進(jìn)一步刷新人類社會(huì)的制造觀念，而這一切的“未來可期”，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)： 略