MIT科学家研究手指动力学 开源3D打印假手技术

在麻省理工学院的林肯实验室（Lincoln Laboratory）里，其下属的技术办公室创新实验室（TOIL）正在通过研究手指动力学来改进3D打印假手技术。据悉研究人员为3D打印假手加上了非电子式的温度和触觉反馈机制，并集成了电机技术。这项研究成果将会被用于e-NABLE和其他类似的3D打印假肢公益组织。

说到e-NABLE，可能很多3D打印爱好者都已经耳熟能详。这是一家专注于为残疾人3D打印假手的公益性在线社区，在过去几年里它的影响力在全球范围内不断扩大。据了解，e-NABLE是在2011年由Ivan和Jen Owen共同创立的，来自全世界的志愿者们汇聚在这里，为那些有需要的残障人士设计、3D打印便宜而又实用的机械手。   
到目前为止，e-NABLE已经免费提供了多个可3D打印和组装的假手设计，制作成本仅在50美元左右，而且志愿者们在用它们为残障人士服务的时候也可以根据不同情况修改此设计。而如今，为了能够提高低成本、可批量制造假肢的性能和质量，来自TOIL的一群专家正在通过开发新的技术为这一项目提供进一步的支持，并愿意将他们的成果提供给e-NABLE和其他公益组织。   
据了解，TOIL团队的工作是在当下互联网+上比较流行的免费3D打印假手设计的基础上进行进一步的改进。为此，研究人员下载、3D打印和组装了多种型号的假手。对于大多数3D打印假手设计来说，组装过程涉及到使用一种拉紧器模块去连接5根机械手指，这个模块位于手腕的背面，并用绷紧的弹性绳子来连接不同的手指。使用者可以通过屈伸手腕来使假手做出“抓握”的动作。   
不过，TOIL研究团队发展，当前的这种3D打印假手设计具有一定的局限性。比如如果有一根手指受到阻碍，就会导致所有的手指无法活动，这就限制了抓握能力。为此，研究人员希望能够开发出新的设计，使每根手指能够独立活动，这就有助于改进其抓握能力和灵活性。   
那么，他们的是什么？“Whippletree”，这是一个聪明的结构，它由一个中央节点和到其它几个联动结构的连接组成。当Whippletree的一个连接受到阻挡之后，其中央节点会移动，并通过每个链接将力量均匀地发布出去。据悉，一个e-NABLE的3D打印假手设计上可以使用一个whippletree，使每根手指都能够独立运动，这样用户可以牢牢抓住几乎任何形状的对象。

TOIL团队的Whippletree
  
除此之外，TOIL团队还找到了其它方法来改进常见的3D打印假手设计。例如，他们通过将能够变色的热反应丝线加进塑料当中为该设计增加了无源温度反馈功能。这种热致变色材料会在接触到热量时立即变色，从而让用户能够更充分“感受到”抓握物体表面的温度。“让用户知道物体表面是不是热的很重要。”研究团队负责人David Scott说：“这能够防止他们受到伤害。”   
另外，尽管还没开发完成，TOIL团队也正在创建一个触觉反馈部件，它可以让用户感受到压力。这个巧妙的部件主要使用一种从指尖到前臂的软管，这些软管的两端会有一个小袋子式的装置，一个在假手指尖一个在用户的前臂上。管子中会充满液体，因此当用户在对3D打印指尖施加压力时，这个力量就会传导到用户的手臂上，让用户感知到，手臂上的流体压力的程度会让用户知道他们的手指上承受的压力有多大。   
出了这些常见的3D打印假手之外，TOIL团队还花功夫为那些使用电机的假手设计出了更坚固的结构。这些假手主要是为那些没有手腕、甚至手臂的人设计的。使用3D打印的齿轮加上马达和Arduino，研究人员创建出了可以通过肌肉传感器来控制的3D打印假臂，其制造成本大约在350美元左右，而且能够与e-NABLE假手兼容。这种使用了电机的手臂(见下图)可以举起大约25磅的重量，不过该团队目前正在测试3D打印塑料零件的举重能力。

在未来几个月内，TOIL团队还将继续这项研究，然后他们会把这些成果以及完成的设计交给e-NABLE和其它组织。“当我看到现有的e-NABLE假手时，就知道它们还能够改进得更好。”研究团队成员Luke Johnson说。“自从开始这个项目之后，我获得了从电路到工程方面的一大堆知识，但是这一个项目重要的是它是为了帮助人们的，这种知识是温暖人心的。”