MIT科學(xué)家研究手指動(dòng)力學(xué) 開(kāi)源3D打印假手技術(shù)

在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室（Lincoln Laboratory）里，其下屬的技術(shù)辦公室創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（TOIL）正在通過(guò)研究手指動(dòng)力學(xué)來(lái)改進(jìn)3D打印假手技術(shù)。據(jù)悉研究人員為3D打印假手加上了非電子式的溫度和觸覺(jué)反饋機(jī)制，并集成了電機(jī)技術(shù)。這項(xiàng)研究成果將會(huì)被用于e-NABLE和其他類(lèi)似的3D打印假肢公益組織。

說(shuō)到e-NABLE，可能很多3D打印愛(ài)好者都已經(jīng)耳熟能詳。這是一家專(zhuān)注于為殘疾人3D打印假手的公益性在線社區(qū)，在過(guò)去幾年里它的影響力在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大。據(jù)了解，e-NABLE是在2011年由Ivan和Jen Owen共同創(chuàng)立的，來(lái)自全世界的志愿者們匯聚在這里，為那些有需要的殘障人士設(shè)計(jì)、3D打印便宜而又實(shí)用的機(jī)械手。   
到目前為止，e-NABLE已經(jīng)免費(fèi)提供了多個(gè)可3D打印和組裝的假手設(shè)計(jì)，制作成本僅在50美元左右，而且志愿者們?cè)谟盟鼈優(yōu)闅堈先耸糠?wù)的時(shí)候也可以根據(jù)不同情況修改此設(shè)計(jì)。而如今，為了能夠提高低成本、可批量制造假肢的性能和質(zhì)量，來(lái)自TOIL的一群專(zhuān)家正在通過(guò)開(kāi)發(fā)新的技術(shù)為這一項(xiàng)目提供進(jìn)一步的支持，并愿意將他們的成果提供給e-NABLE和其他公益組織。   
據(jù)了解，TOIL團(tuán)隊(duì)的工作是在當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)+上比較流行的免費(fèi)3D打印假手設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。為此，研究人員下載、3D打印和組裝了多種型號(hào)的假手。對(duì)于大多數(shù)3D打印假手設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，組裝過(guò)程涉及到使用一種拉緊器模塊去連接5根機(jī)械手指，這個(gè)模塊位于手腕的背面，并用繃緊的彈性繩子來(lái)連接不同的手指。使用者可以通過(guò)屈伸手腕來(lái)使假手做出“抓握”的動(dòng)作。   
不過(guò)，TOIL研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展，當(dāng)前的這種3D打印假手設(shè)計(jì)具有一定的局限性。比如如果有一根手指受到阻礙，就會(huì)導(dǎo)致所有的手指無(wú)法活動(dòng)，這就限制了抓握能力。為此，研究人員希望能夠開(kāi)發(fā)出新的設(shè)計(jì)，使每根手指能夠獨(dú)立活動(dòng)，這就有助于改進(jìn)其抓握能力和靈活性。   
那么，他們的是什么？“Whippletree”，這是一個(gè)聰明的結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)和到其它幾個(gè)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的連接組成。當(dāng)Whippletree的一個(gè)連接受到阻擋之后，其中央節(jié)點(diǎn)會(huì)移動(dòng)，并通過(guò)每個(gè)鏈接將力量均勻地發(fā)布出去。據(jù)悉，一個(gè)e-NABLE的3D打印假手設(shè)計(jì)上可以使用一個(gè)whippletree，使每根手指都能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，這樣用戶(hù)可以牢牢抓住幾乎任何形狀的對(duì)象。

TOIL團(tuán)隊(duì)的Whippletree
  
除此之外，TOIL團(tuán)隊(duì)還找到了其它方法來(lái)改進(jìn)常見(jiàn)的3D打印假手設(shè)計(jì)。例如，他們通過(guò)將能夠變色的熱反應(yīng)絲線加進(jìn)塑料當(dāng)中為該設(shè)計(jì)增加了無(wú)源溫度反饋功能。這種熱致變色材料會(huì)在接觸到熱量時(shí)立即變色，從而讓用戶(hù)能夠更充分“感受到”抓握物體表面的溫度。“讓用戶(hù)知道物體表面是不是熱的很重要。”研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人David Scott說(shuō)：“這能夠防止他們受到傷害?！?  
另外，盡管還沒(méi)開(kāi)發(fā)完成，TOIL團(tuán)隊(duì)也正在創(chuàng)建一個(gè)觸覺(jué)反饋部件，它可以讓用戶(hù)感受到壓力。這個(gè)巧妙的部件主要使用一種從指尖到前臂的軟管，這些軟管的兩端會(huì)有一個(gè)小袋子式的裝置，一個(gè)在假手指尖一個(gè)在用戶(hù)的前臂上。管子中會(huì)充滿液體，因此當(dāng)用戶(hù)在對(duì)3D打印指尖施加壓力時(shí)，這個(gè)力量就會(huì)傳導(dǎo)到用戶(hù)的手臂上，讓用戶(hù)感知到，手臂上的流體壓力的程度會(huì)讓用戶(hù)知道他們的手指上承受的壓力有多大。   
出了這些常見(jiàn)的3D打印假手之外，TOIL團(tuán)隊(duì)還花功夫?yàn)槟切┦褂秒姍C(jī)的假手設(shè)計(jì)出了更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。這些假手主要是為那些沒(méi)有手腕、甚至手臂的人設(shè)計(jì)的。使用3D打印的齒輪加上馬達(dá)和Arduino，研究人員創(chuàng)建出了可以通過(guò)肌肉傳感器來(lái)控制的3D打印假臂，其制造成本大約在350美元左右，而且能夠與e-NABLE假手兼容。這種使用了電機(jī)的手臂(見(jiàn)下圖)可以舉起大約25磅的重量，不過(guò)該團(tuán)隊(duì)目前正在測(cè)試3D打印塑料零件的舉重能力。

在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)，TOIL團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)這項(xiàng)研究，然后他們會(huì)把這些成果以及完成的設(shè)計(jì)交給e-NABLE和其它組織?！爱?dāng)我看到現(xiàn)有的e-NABLE假手時(shí)，就知道它們還能夠改進(jìn)得更好?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員Luke Johnson說(shuō)。“自從開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目之后，我獲得了從電路到工程方面的一大堆知識(shí)，但是這一個(gè)項(xiàng)目重要的是它是為了幫助人們的，這種知識(shí)是溫暖人心的?！?/p>