神奇的软体康复机械手套——采用ACEO® 有机硅3D打印的软体机器人

3D打印快讯
2019
10/19
09:20
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来源:瓦克化学

近年来,Soft Robotics技术发展迅猛。与传统的机器人不同,软体机器人具有高度灵活、操作安全、重量轻、制作简单和制造成本低等优势,其应用场合目前主要在于各种工业抓手和医疗/康复装置。软体机器人的核心部件由柔性材料组成,如何选择合适的材料及制作方法,使之既能满足设计要求,又能承载应有的功能。本文介绍了由香港中文大学汤启宇教授及其团队发明的软体康复机械手套,其中用ACEO® 3D打印有机硅制作的软体驱动单元为我们提供了一个新的思路和方案。

软体康复机械手的最新发展
中风是引致残障的主要原因之一,全球每6秒就有一人中风,其中一半发生在中国。手部瘫痪是常见且棘手的中风后遗症之一,中风发生后的前3个月是手部功能可能恢复到最佳状态的黄金康复期。研究表明,通过受损手部相同、重复的运动可使脑部逐渐感知并恢复运动控制机能,从而促进中风后的康复。目前,已有多款手部康复装置被开发出来,以期替代昂贵而费时的理疗师工作。但是,现有的装置份量重、体积大,而且多数并不能在日常生活中为患者提供辅助,如持拾简单物件,这也是由中风后手部痉挛状态导致的一个难题。

近期,由香港中文大学汤启宇、李峥教授和他们的团队发明的一款有机硅3D打印软体康复机械手套很好地解决了这些问题。这款轻巧的软性机械手套可根据患者手指和手掌的尺寸度身订造,它采用了瓦克ACEO®有机硅3D打印技术,用软胶驱动器辅助患者控制他们的手部肌肉弯曲和伸展手指,帮助改善患者在日常生活中的手部活动能力,也为患者提供了一个可个人定制且价格实惠的康复训练方案。在2019年4月举办的第47届日内瓦国际发明展上,此款软体机械手套获得了银奖。


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ACEO®有机硅3D打印
之所以采用3D打印来制作机械手套的软胶驱动器,是因为传统的开模制作所需的步骤多、时间长。3D打印则可以减少制作软胶驱动器的步骤,大大缩短制作周期。此外,3D打印还提供了设计方面的自由。ACEO®独特的按需喷墨技术,使得前所未有的产品设计和复杂的几何结构(如镂空、飞檐等)得以实现,同时保留了有机硅的优异性能,如高弹性、耐热、耐紫外、抗拉伸和压缩形变等。这些性能可以在整个ACEO®打印过程中得以保留,因此瓦克的3D打印产品可媲美采用注塑成型或快速模压成型等工艺制作的物品。

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据此项发明团队的主要成员、香港中文大学博士研究生香皓林介绍,其设计的软体驱动器所需的材料,重点在于大幅变形情况下,材料所能提供的延伸率及耐久性。在未启用ACEO® 3D打印有机硅之前,团队还试用了其他两家3D打印厂家提供的类似橡胶材料,但是这些产品的耐久性都很低,无法支持大幅变形。“我们需要能够长时间承受高强度压力和大幅度变形的有机硅,我们发现ACEO®3D打印的有机硅可以满足这些要求,”香皓林解释道。

软胶驱动器及其发展前景
软胶驱动器包含了一个有机硅弹性气囊,在部件的底部还有一片不可延展的压条,起到扭矩补偿的作用。当气囊被施以流体(液体或气体)压力时,气囊会朝着压条一侧卷起,驱动器因而带动手指弯曲。在流体压力减压后,气囊则使戴着此装置的手指伸展,从而协助患者完成一个完整的开合手动作。

日前,一名中风患者在戴上了此款装有软胶驱动器的软体康复机械手套后,可以顺利开合手掌,而且成功地抓起一枚中国象棋棋子,并与另一正常的手配合拧毛巾。

“我们还在对弯曲运动时材料的耐久性和延伸率进行改进。如果材料强度足够,我们就可以对软胶驱动器施以更大的压力,从而进一步提升其输出力度。”香皓林表示,“我们也希望可以一次性3D打印更多数量的软胶驱动器。当然,即便是商业化大规模生产时,品质依然是第一要素。”

鸣谢:
香皓林,香港中文大学生物医学工程学系博士研究生
软体康复机械手套图片及视频均由香皓林博士研究生提供

参考资料:
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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