深度研究：3D打印腰部健康护具设计研究(2)
时间：2023-02-16 10:12 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
4 腰部健康护具的设计实践
4.1 信息整合
将前文所提及的身体相关数据以及社会调研得到的信息，结合身体结构、传统中医穴位等信息，筛选并整合成一套信息流程，并绘制树状图，见图 7。
4.2 仿生结构思考
肌纤维即肌细胞，呈长纤维状，每条肌纤维可有上百个细胞核。细胞质内有大量肌原纤维，肌原纤维之间有肌质网、线粒体、脂滴、糖原等，见图 8。肌纤维组成肌束，以肌束为单元的肌纤维集合所构成的空间结构具有稳定性与一定的韧性，能够维持身体肌肉结构稳定并适应各种肌肉的运动。仔细观察肌纤维的截面，借鉴类似泰森多边形的网状结构作为设计腰托的基础结构，在保证结构稳定与延展强度的同时，更加契合 3D 打印技术的特质且满足轻质化的新要求（见图 9）。在以上基础技术理论的支撑下，深入考虑产品人体工学与智能化相关的优化方法。首先，出于对最大化发挥支撑护具功能的考虑，在原型方案的基础上，参照肌肉在骨骼上的包裹方式（见图 10），整体体量收缩至包覆、紧贴状态，突出增强腰部支撑负荷力。
4.3 电脉冲设备植入
电脉冲设备的选择结合了路超于其论文《多功能电脉冲理疗仪的设计与实现》中的实验结果，实验以电脉冲模拟中医按摩手法，其结果对腰托的设计具有一定的参考价值。在其实验中以调制中频电疗法为基础，使用中频脉冲为 1~10 kHz 的双向对称脉冲，采用了六种 0.5~50 Hz 低频周期信号对中频脉冲幅值进行调制。根据隔离反激式开关电源原理，设计了输入
图 7 设计研究的信息流程
电压范围宽、稳定性好和效率高的±16.5 V 双路输出开关电源和 3.6 V 输出的 DC-DC 变换电源电路等。一方面，采用 MSP430F4250 单片机设计了包含按键
图 8 肌纤维结构分解示意[20]
处理、DAC 输出和 LCD 显示的控制电路；另一方面，采用 TDA2030A 设计了波形放大电路，保证不失真传输的同时提高驱动能力。实验证明，开关电源效率在 82%~87%，输出电压纹波系数为 3.18%，负载调整率为 3.45%，输出的波形与对应的低频调制波波形一致，并且具有明显的中医按摩效果[15]。目前市面上的电脉冲理疗仪多为一个主电机带转接线连接电极片的形式。由于该种理疗方式的理疗时常通常在 20 min 左右，且理疗时人体多处于静止状态，所以当考虑将电脉冲设备与腰托结合的时候，倾向于一种电极片与电机可分离的模式：当需要多功能模式理疗时，腰托可通过转接线连接上主电机进行
图 9 肌纤维-腰托结构示意[21]
图 10 人体脊柱、肌肉模型图示[21]
不同模式或档位的选择，例如针对不同病状或是不同力度；而在脱离主电机的状态下，腰托仍可以依靠两翼中间的自备电池进行简单理疗按摩并持续供热，以提供持续便捷的理疗体验，见图 11。
图 11 实验腰托电脉冲点位及隐形腰带示意
4.4 定制化分析
1）共性。生成的过程和基础数据不变，设置调节点以应对受用者不同身体数据的变化[22]，见图 12。
图 12 实验腰托基础参量电池组示意
2）个性。选取特定的个案，根据受试者身体信息调整相应的参数，生成个性模型[22]，见图 13。
4.5 数字模型构建
经过对患者自身数据的分析，结合仿生结构设计与电脉冲设备植入设计[23]，整合归纳为复杂的信息系统。通过三维软件 MAYA 以曲线的方式构建出符合人体工程学与生态学的数字化模型，在此基础上进一步优化，发展出符合身体结构的腰部健康护具形态[24]。设计模型草图，见图 14。
4.6 打印成型与整合
依前文所述，3D 打印选择了 SLS（Selective Laser Sintering）高分子尼龙(PA)与 SLA（Stereo Lithography Appearance)光敏树脂（UV 树脂），根据腰部疾病者和日常预防人群需求的不同，可灵活选择不同的材料，单独或组合拼装制作。针对有高质量、可循环使用、帮助治疗及日常恢复需求的患者，推荐弹性好、强度高、重量轻但价格相对较高的尼龙作为打印主材；对于以日常理疗、缓解疲劳、预防疾病为主的青少年，体重较轻、对强度要求不高的病患人群，推荐光敏树脂材料，虽然弹性与强度相对尼龙较差，但价格更为经济[25]。
图 13 实验腰托参量调整变化示意
图 14 实验腰托模型呈现
图 15 实验腰托模特佩戴图
在设计的过程中，整套电脉冲装置是根据受众个体的身体数据，直接并入腰托模型，最终一体化打印成型的。实验腰托模特佩戴图见图 15。
4.7 功效验证与测试
寻找了 12 位设计专业学生（长期电脑操作使用者），对两种不同材质（尼龙和光敏树脂）的打印产品功效进行了测试，测试结果见表 1 和图 16，基本达到了设计预期。
4.8 技术性特征总结
可成型工艺（同一材料的 3D 打印设计改良）配合人体仿生学成就了产品整体设计制作的完成。综合实验腰部护具的技术表现性，主体部分的技术性设计有 3 个关键点：
其一，生物定制化使产品主体部分能够调整至完美贴合腰部，并进行相应的支撑，分散压力，从而改善人体腰部的受力状况，并且可以根据用户的身体数据（年龄、高矮、胖瘦、性别等因素）调整腰托整体的弧度、宽度、高度数据，做到一对一个性化定制。
其二，产品置入传感与电脉冲设备，能够依据人体的坐姿、站姿等行为信息数据，对压力过大、不正确坐姿、压力时间过长等有损健康的行为进行提示；并可依据实时接收的感应数据，对适合部位进行穴位刺激，舒缓腰部肌肉，依托科技手段实现智能调整功能。
其三，产品的佩戴和使用方式有所创新，不仅可以用碳纤维绑带穿戴，还可以置于椅子上作为靠垫，能够满足不同人群对于产品的不同需求，见图 17。
表 1 3D 打印腰部护具测试记录表
图 16 实验腰托功效满意度
图 17 实验腰托的靠垫使用展示
5 结语
“3D 打印腰部健康护具设计研究”利用了 3D 打印技术的便捷性特点和可定制特点，为无障碍产品的研发和探索提供一种可定制化的产品导向。一方面3D 打印技术丰富了产品材料的多样性，如轻量化材料、拟真化材料，还有贴近人体皮肤的柔性材质等，产品风格也因此出现了个性化、多元化的趋势；另一方面，3D 打印产品零件可拆卸组装、可私人定制的特点，使护具得以满足更多样的功能需求，护具受众群体大大增加。3D 打印在造型上的自由度以及打印材料的多样性，是产品形式多样化的直接动因，在审美和视觉层面让护具这类易忽视形式美感的产品，如今能够做到科技、功能、审美三方面的统一[26]。未来的 3D 打印发展方向，材料研究仍将是重点，除了材料的多元化、智慧化，技术的互动、增效也必会更进一步刷新人类社会的制造观念，而这一切的“未来可期”，让我们拭目以待。
(责任编辑：admin)
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