鎳鈦絲的形狀記憶特性,可模擬肌肉設計義手。

鎳鈦絲的形狀記憶特性,可模擬肌肉設計義手。Credit: [email protected] CC BY 2.0

義手設計

這幾年,3D列印製作義手,這個主題的產品開發已經相當普遍,甚至有開放式的網站平台,能夠下載義手設計檔案,若要更進一步做到電動控制,更可以另外加裝各種馬達動力,甚至連結意念控制,將穿戴者的意念神經訊號經過外在裝置連結而表現出來,產生動作。看來似乎已經非常成熟的裝置,在研發上還有什麼可以更精進的呢?是觸覺回饋、精細動作還是義肢安裝方式?

設計更輕巧

怎麼樣能夠設計得輕巧又有足夠的強度,關鍵就在材料的選用和機構的設計,這一直是所有工業產品設計的重要考量。而目前義手的材料選用,似乎已經達到一定的成熟度,剩下就是安裝的附屬裝置,像是馬達、電池等,那麼要如何使之更為輕巧呢? 像是電力的提供方面,有科學家在研發利用人體皮膚收縮和太陽能來蓄能,但似乎還沒有見到用在義肢成果。那麼馬達的部份呢?有可能不要傳統的馬達也能操控義手的動作嗎?

人類的各種關節能夠動作,都是一群肌肉共同合作而成,一個簡單的握拳和手掌張開,也是數條肌肉啟動,有的收縮,有的放鬆,用這樣的原理來協同完成動作。數條肌肉的完美合作,正是人類動作精緻且美妙的所在。而不幸截肢的患者,因為沒有這些肌肉,所以失去動作表現。

鎳鈦絲模擬肌肉

德國「薩爾蘭大學」(Saarland University)的工程師,開發出「鎳鈦合金」的新應用,可用來模擬人體肌肉的動作表現。就是他們在義手上安裝很多一束束的鎳鈦絲,並利用通電的方法加熱這些鎳鈦絲,使其產生形變,因為鎳鈦材料特有的「形狀記憶」(shape memory)特性,當溫度上升時,會讓鎳鈦絲回到記憶的形狀,也就是說用這個原理來控制每一條鎳鈦絲的拉緊和放鬆。而這個產品在手指的前後都安置有鎳鈦絲,手指兩側鎳鈦絲的拉緊和放鬆間的合作,就能讓手指產生彎曲和張開的動作。舉例來說,在食指的腹面和背面都安裝有鎳鈦絲束,腹面的鎳鈦絲束,擁有「彎曲」的記憶形狀,背面的鎳鈦絲束,則擁有「拉伸」的記憶形狀,若現在要手指伸直,那就通電加熱背側的鎳鈦絲,讓背側的鎳鈦絲回到拉伸狀態,這時候內側的鎳鈦絲也被拉直了,隨即停止通電;若要讓手指彎曲,可通電加熱內側的鎳鈦絲束,讓它回到「彎曲」的記憶形狀,此時外側的鎳鈦絲也跟著彎曲,便可停止供電。(點這裡看影片)以此類推,手部的各種精細動作,藉由各種鎳鈦絲的肌肉模擬組合,就能輕易完成。重點是,不需要在每根手指甚至是關節都安裝驅動馬達(較笨重、不夠輕巧靈活),只需要一個晶片來控制供電與否,進而控制手部動作。

這個設計的鎳鈦絲束分佈,因為面積較大,也提供了快速散熱的效果,讓動作能更迅速、均勻。

想想過去生醫人網摘報導過的各種「義手」的設計原理,如果能加上這個鎳鈦絲的應用,或許能製做出一個輕美的義手。

文章參考:Science 2.0
影片來源:reutersHouseholdHacker
圖片來源:1lenore@Flickr  CC BY 2.0



作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。