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421438e87c9a663bbc5d9ce06bb0dcbd 我們都聽多了「雙手萬能」,知道人類因站立而空出雙手,才「創造」出與眾生不同的文明世界,但是,我們的這雙手有多麼神奇?對我們的生活有多重要呢?


▲是否想過,少了手會是什麼生活情境呢?

試著做一個動作,把一隻手的指頭握起來,過過一個小時沒有正常手指的生活。當你想洗個臉,怎麼把毛巾扭乾?想吃頓飯,在廚房、在餐桌上會有什麼困難 - 例如,該怎麼轉開一個罐頭?想出門了,如何脫下再穿上一件衣服,以及鞋、襪?如果想騎單車,又會是什麼情況呢?

從這樣的體驗,或許能夠更清楚由Robohand推展開來的開源3D列印義肢自造運動,對於有需要的人會有多大的幫助了。上文介紹Robohand的故事由來,本文再來進一步談談,Robohand這類義肢的技術定位與自造需知。

認識義肢技術

今日的義肢技術不斷進步,甚至被喻為是這個世紀中最有希望的先進技術。在技術定位上,大致可依動力來源區分為被動式和主動式兩大類,其中身體動力型的被動式技術,靠的是身體既存肢體部位的關節肌肉力量,去連動控制手部義肢做出動作來,不需動手術或複雜的客製工程就能做到,Robohand就是這類型的義肢。

不過,被動式義肢的運用限制較大,使用上較費力,操作動作也無法太過精細,如想用它來彈一首鋼琴曲,恐怕會很挫折。相較之下,主動式義肢因有電池動力驅動馬達,讓使用上更省力、握力更強,在皮膚或神經感測技術的輔助下,甚至可以做到極精確和複雜的動作。

主動式義肢是集今日機、電、生物等科技大成的一項成果,它的外觀看起來與電影中常見的機器人四肢一般無異。目前發展中的主動式義肢可再分為兩大類,分別是肌電式(myoelectric)義肢及神經植入式義肢。

肌電式義肢

肌電式義肢是目前較成熟的主動式方案,主要是靠對殘肢皮膚肌電圖(EMG)的感測來控制動作。這類義肢在各個關節中裝了微型馬達,已能相當精準地執行各種動作,例如拿起鑰匙插入鑰匙孔、為香蕉撥皮,或抓緊單槓將身體吊起在半空。知名的解決方案包括手部義肢的i-Limb及本刊曾報導過的腳部義肢BiOM,在開源計畫中則有Open Hand Project。

▲肌電式義肢在各個關節中裝了微型馬達,已能相當精準地執行各種動作。(圖片來源

讓肌電式義肢動起來的關鍵,來自對安裝者既存肢體皮膚表面的肌電圖(Electromyography,EMG)的量測,也就是運用電極與肢體連結,去偵測肌肉輕微收縮時產生的生理訊號,它含有使用者大腦傳達過來的肢體運動意圖,經過訊號放大、運算解讀後,義肢中的處理器會控制機械結構做出大腦要求的動作。

神經植入式義肢

不過,即使接上了肌電式義肢,肢障者仍會覺得有些卡卡的,無法做到極細膩的動作,例如彈鋼琴,或是想做Maker的焊接動作。更先進的義肢科技正嘗試將義肢與殘肢的神經接駁,喚醒殘肢對應的神經與大腦區域,讓義肢不只是假肢,而像是「重生的肢體」一般,可以「為心所欲」的使用它。這是一個結合先進生物科技的發展中技術,有機會再做深入介紹,有興趣者可參考延伸閱讀。

▲Amanda Kitts是首位接受神經植入義肢手術的女性。(圖片來源

RRobohand自造需知

既然有了極接近真手的主動式義肢,為何還需要Robohand這類看起來像玩具的假手呢?

首先,當然是因為一分錢一分貨,愈靈敏的方案就會愈貴,像BiOM的定製價就是4萬美元(約120萬台幣)起跳,一般肢障者根本負擔不起。其次是對肢障孩童來說,因仍處於成長階段,若定製主動式義肢,就像鞋子、衣服一樣,不用多久就不合身了,對家長可說是難以承受之重。

相較之下,精巧設計的被動式方案已能為肢障者帶來很大的便利。相較於主動式方案,它的成本親民多了;因不需電池驅動馬達,所以很輕巧、不會聽到馬達噪音,也不用擔心沒電時功能失靈,即使故障了也很容易維護。如今有了Robohand這類開源計畫,再結合逐漸普及化的3D列印工具,確實為肢障者或其家長開啟了一扇方便之門。

就材料成本而言,自主列印組裝Robohand的成本相當低,包括3D列印材料(PLA)、螺絲、線材等,大約只要數美元即可。不過,若要做到舒適、可靠和耐用,仍有不小的學問在其中。且來看看Robohand團隊在其部落格中的一些自造注意要點。

1. 正確量測資料

首先要知道Robohand在Thingiverse上的開源設計資料,有不同的適用情境,有的可以實用(耐用性高),有的則屬於展示用途,不適合長久或重度使用。其次是量身定做的部分,需精確量測使用者的肢體尺寸,才能為3D列表機提供正確的列印參數。

2. 選用不鏽鋼金屬材料

組合義肢的材料品質很重要,必須慎選,否則外表鏽蝕難看是一回事,造成皮膚受傷或感染就不妙了。Robohand團隊建議使用金屬組件應選用不鏽鋼材料,如此一來成本似乎升高了,但在安全性和耐用性上都能提升,而且若是孩子在用,等他/她長大要「換手」時,還可以回收再利用,看來是有投資的價值。

3. 使用醫用級接觸材料

▲Robohand接觸材質選用Orthoplastic(圖片來源

相較於操控性,舒適度可能是義肢會不會被經常使用的關鍵,而是否舒適,往往決定於義肢與人體接觸的材料選擇。很顯然地,3D列印用的PLA塑膠並不適合長期與皮膚接觸,因此Robohand團隊建議使用醫療用的Orthoplastic材料。

這種材料稱為會呼吸的樹脂,只要泡熱水就可以軟化塑型,定型後仍具備足夠的彈性,可以分散義肢與皮膚接觸的表面壓力。它的好處還很多,例如可以經常清洗來保持衛生,而且很耐用、不易破損,因此是被認可的醫用材料。不過,參與Robohand的Orthoplastic專家也指出,這材料的高可塑性是好處也是難處,使用者必須有足夠的訓練和經驗才能成功塑造出想要的形狀。

4. 配置前的限制評估

由於Robohand需靠手部特定關節的力量來帶動義肢,因此,安裝Robofinger(手指義肢)、Robohand(手掌義肢)及Roboarm(手臂義肢)的使用者必須滿足一些條件,主要是致動關節要能有30度以上的活動能力,才有辦法讓義肢順利動起來。

再來要檢驗肢障者的皮膚狀況。在有些情況下,如剛截肢不久、燒傷、其他手術後,皮膚正處於敏感期,這時就不適合配置義肢;另外有些人因神經受損造成皮膚不夠敏感,也不適合配置,因為一旦皮膚有傷口卻不知道,可能引發嚴重的感染。

▲有些皮膚並不適合配置義肢(圖片來源

台灣3D列印 社會自造接軌

然而,當以上條件都滿足了,仍不能保證自造者可以為肢障者做出滿意的Robohand。畢竟這是一支模擬「萬能」真手的假手,在零件組裝和接合安裝上仍有著不少的學問,雙手正常的人可能怎樣都無法「體驗」地到(也不想)吧。

▲從木匠到義肢工藝及公益,Richard開啟了新的人生。(圖片來源

這就突顯了Richard van As(Robohand創辦人)在研發和製作Robohand上的獨特地位。過去他都是義務幫忙需要者設計製造義肢,但隨著「定單」的增加及對品質上的要求,現在他除了辦工作坊授課外,親自做的案子也要收費了,報價是2000美元(約台幣6萬元)。覺得貴?恐怕付了款還得排隊等很久呢!

從木匠到義肢工藝及公益,Richard開啟了新的人生,若說天助自助,大概就是這麼一回事吧。相信許多肢障朋友都願意自助、自造,只是欠缺臨門的一把扶持。雙手仍然萬能的我們,來做點事吧!

在E-Nable map的3D列印支持計畫中,一向愛心不落人後的台灣仍未出現加入者,該是不知道有這一回事吧。事實上,相較於參與者密密麻麻的歐、美大陸,亞洲參與者則是屈指可數,目前台灣擁有3D列印機的單位或個人已經不少,是不是由那個Makerspace率先來響應呢?

可參考的技術文件

延伸閱讀:

有 3D 印表機就能做善事!壯大中的 Robohand 義肢社會自造運動

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