mobile menu search box Facebook

Robohand義肢自造入門需知

2014.06.17
瀏覽次數:
合作轉載

文:歐敏銓

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?

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

Robohand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!

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?

全文轉載自《INNOMAMBO創新曼波


作者簡介:現任INNOMAMBO總主筆兼創辦人,希望推動「社會科技創新」,即運用科技創新為社會、社群服務。除了是資深科技媒體人外,也是劇場工作者,現擔任文山人劇團團長。曾任CTIMES總編輯(2012 - 2013),現兼任CTIMES編輯總監(顧問職)。信箱:ou.owen@gmail.com


 

可參考技術文件

延伸閱讀

壯大中的Robohand社會自造運動

2014.06.16
合作轉載

文:歐敏銓

一場社會自造運動因Robohand而啟動了。(圖片來源

你能想像一個有「殘缺」的生活?

因為疾病、意外或戰爭而失去正常的肢體,這樣的事,時有所聞;這樣的人,或許就在你我身邊。如果是你,會如何去面對呢?

Richard van As是一位南非木匠,2011年5月在工作中失去了他右手的手指。這個意外,徹底改變了他的人生,以及至今200多位手部殘缺者的人生。

走出醫院,他選擇靠自己的力量「找回」健全的雙手。從一個人在工作室摸索開始,後來找到遠在美國的Ivan Owen協助機械手掌的結構設計,並在2012年9月將他們的手掌義肢命名為Robohand。

南非木匠Richard van As在工作中失去了他右手的手指,讓他啟動了Robohand計畫,至今已幫助了200多位手部殘缺者。(圖片來源

草根Robohand成為殘缺者明燈

事實上,市場上並不乏義肢方案,有些仿生高科技方案甚至已做到假可亂真,但是,動輒數十、數百萬的定製價格,真的太貴了,一般人根本無緣嘗試;對於還在成長中的孩童來說,「換手」更是家長難以承受之重。

Robohand,一個最草根的義肢計畫,如今已是許多需要者心中的明燈。

從Richard一人,到Ivan及他們兩個家庭的共同投入,他們一直是用工作閒餘的時間來精進這個研究。而所謂得道多助,在他們一路的堅持中得到了最佳應證。

Robohand的發展歷程中有個重要轉捩點,就是3D列印機在2012年底到位了。這是兩台由MakerBot捐贈的Replicator 2列印機,讓他們兩人可以隔海快速溝通並修正Prototype,而且能將其成果在Thingiverse開放出來,讓世界各地有需要的人都可以嘗試應用。

 

 

於是,很快地,第一個成功的Robohand版本在2013年1月問世,並在這一年間陸續開發出Robofinger和Roboarm等更完整的義肢組合方案(最近則已在進行Roboleg計畫了)。而這一年,隨著幫助需求者「重健完整人生」的感人故事愈來愈多,也讓Robohand聲名大噪,不斷出現在各大媒體的報導中。

名氣,並沒有讓他們動搖開發Robohand的初衷:協助肢體殘缺的朋友能更獨立地生活,並與世界互動,進而能和一般人一樣享有「完整且自由的人生」。故事的推廣,吸引了更多有心人來參與,有人捐器材、有人提供專業意見,更多人則自己動手做,去幫助需要幫助的人,如9歲女孩Kylie Wicker的故事

戰火中的重生 - Project Daniel

Not Impossible遠赴蘇丹進行3D列印義肢扶助計畫 - Project Daniel(圖片來源

最為人津津樂道的,該是由Not Impossible深入戰火中推動的Project Daniel計畫吧。

蘇丹,是一個戰亂不斷的國度,許許多多人因炮火而失去了健全的四肢,Daniel Omar正是南蘇丹預估近五萬名截肢者中的一位少年。他在14歲那年,一次在山上牧牛時因飛機投彈而重傷,為了救回生命必須截斷雙手,但瀟灑的青春,就此離他遠去。

他的故事,經由TIME報導而廣為人知,也刺激了想結合科技與媒體力量改變世界的Not Impossible發起了Project Daniel計畫,並由CEO Mick Ebeling親自前往蘇丹,要為Daniel量身定製他的義肢。

Mick的導師,正是Richard。在進入蘇丹前,Mick前往南非接受Richard的特訓,並模擬在無網路的村子裏如何靠Mick自己修正做出屬於Daniel的3D列印Robohand義肢。也因為這些準備工作,才讓Not Impossible拍出一支任務成功的感人影片:特別當Daniel在事隔兩年後,第一次靠自己吃下桌上的食物!

 

 

Enabling The Future - 社群共同參與

E-nabling The Future致力於運用Robohand協助需要義肢的孩童重建新生活。(圖片來源

從Robohand引發的常民化義肢自造運動,在全球各地已如滾雪球般推展開來了。特別值得一提的是Enabling The Future。

這是一個從Google+開始的一個社群 - E-Nable Group,發起人是Jon Shull。他被Robohand開源計畫所感動,想號召全球擁有3D列印機的Maker來共襄盛舉,為需要義肢的朋友印製組合零件。他的作法是在網路上設立了E-Nable map,有3D列印機的人都可以上來登記,讓有需求的朋友能就近尋求協助。

這樣的列印義舉,花不了太多時間,用PLA印製的材料費也不高,台幣可能只要數百元或更少,但卻能幫助一個上肢殘疾的朋友重建新生,何樂而不為呢?

從E-Nable Group到E-Nabling The Future,在Jon的號召下,參與者不斷成長,包括工程師、技師巧匠、醫生、教授、高中老師等各領域人才都來貢獻所能,他們共同讓原始設計能夠精進,並協助自造者或有需求者做出高可用性的義肢。

Jon不希望他們只是在幫忙製造義肢,更重視如何將影響力推廣出去,因此花很多時間教導和指引更多人學會製作3D列印義肢,並鼓勵學會的人繼續傳播出去。這樣的訴求如今不斷開枝散葉,有父母為自己的小孩設計義肢、有高中同學一同讓4歲女孩重捨笑容、也有工程系學生與專業治療師發展出新的版本,幫助社群中有需要的人。

啟動台灣的社會自造運動

當3D列印在全球持續發燒,為創意及應用商機開啟了一扇扇新窗,在這同時,結合開源社群的自造運動,也能因「助人最樂」的動力下開出不同的成果。

在全球,不少孩童因罹患羊水帶症候群(amniotic band syndrome)而自出生即為肢體缺損而苦;在戰亂地區,如蘇丹,則有更多人遭無情砲火之劫而失去手或腳,卻買不起昂貴的義肢。

事實上,在台灣,因故截肢的患者預估每年也有約2000位(其中三分之二為下肢截肢),但Robohand的扶持社群,似乎還未傳進我們的土地上。希望本文的報導及連結資源,能夠激勵實際的行動社群,讓台灣的自造運動也能造福社會。

全文轉載自《INNOMAMBO創新曼波》


作者簡介:現任INNOMAMBO總主筆兼創辦人,希望推動「社會科技創新」,即運用科技創新為社會、社群服務。除了是資深科技媒體人外,也是劇場工作者,現擔任文山人劇團團長。曾任CTIMES總編輯(2012 - 2013),現兼任CTIMES編輯總監(顧問職)。信箱:ou.owen@gmail.com


延伸閱讀

訂閱電子報 主題
看更多主題