智能醫療

                      NX 幫助革新兒童個性化手臂假肢的遠程開發

                      2025China.cn   2022年11月18日

                      “利用我們的舊版軟件,可以看到 3D 打印中仍有很多小平面,但是使用 NX 則不會出現這種情況。它的幾何形狀非常精確,外觀更加逼真?!?/FONT>

                      Matt Landolfa,

                      首席機械設計工程師 Unlimited Tomorrow

                       

                      一位少年引發的醫學革命

                      當年,伊斯頓·拉查佩爾 (Easton LaChappelle) 決定打造一只功能齊全的假手時,年僅 14 歲。拉查佩爾在科羅拉多州的山中小鎮曼科斯長大,他所在的八年級只有 23 個人。百無聊賴的他對機器人技術如癡如迷,很快就超出了學校所傳的知識范圍?!拔议_始窩在臥室,通過網絡自學所需的機器人技術,”拉查佩爾說。

                      拉查佩爾決定制作一只遙控機械手,以此證明自己對機器人技術的熱愛。他使用所有能找到的東西,如釣魚線、樂高積木、絕緣膠帶、擋風玻璃刮水器的電機等,拼湊了一個像電視劇主角馬蓋先的東西,并花了九個月的時間不斷試驗,但可惜屢試屢敗,用他的話說,“敗得很慘?!?/FONT>

                      最終,拉查佩爾做出了一只原始的機械手,但直到 16 歲生日時,他才開始改進設計,而這為他希望渺茫的未來確定了努力方向。當時,他買了一臺廉價的激光切割木料 3D 打印機,開始晝夜鉆研。他改進了機械手每根手指的靈活度和大拇指,然后繼續造了前臂、肘部和肩部,最終做出了一條完整的手臂。

                      拉查佩爾帶著自己的機械手臂參加了多個科學展會,從此聲名大噪。擁有一只像變形金剛那樣可以扔球和握手的手臂,比起司空見慣的火山爆發,更能引人注目。很快,拉查佩爾就進入美國國家航空航天局 (NASA) 實習。時任總統奧巴馬在白宮和他的機械手臂握手。不久之后,拉查佩爾開始在世界各地發表主題演講。

                      突如其來的靈感來源

                      這一切發生在 2013 年,盡管對于一個小鎮少年而言,媒體的贊揚是令人陶醉的,但是當年一個不經意間的小事對拉查佩爾產生了巨大影響。他回憶道,“當時是在科羅拉多州的科學展會上,我注意到一個小女孩在試驗我這個機械手臂的手指靈活度。我意識到她戴著一個假肢。那是我第一次在人身上看到那種技術?!?/FONT>

                      拉查佩爾和那個女孩及她父母攀談起來,了解她的假肢是如何使用的。了解到的情況既令他非?;倚?,但又深受啟發?!拔耶敃r了解到,她的假肢竟然花了 8 萬美元,而上面只有一個夾持裝置,而且很快就會被淘汰,因為需要一年時間才能制成。我想,‘這不可能,我在臥室里造出的手臂才用了 300 美元?!矣X得難以置信,那也是我的頓悟之刻?!?/FONT>

                      這件事之后一個月,拉查佩爾受邀在科羅拉多州丹佛市發表科技、娛樂和設計 (TEDx) 演講。在談到經濟實用的個性化假肢的前景時,拉查佩爾受到了全場觀眾起立鼓掌的肯定,并收到了著名勵志演講家和人生導師托尼·羅賓斯 (Tony Robbins) 的電話。拉查佩爾回憶說“他對我說,‘我在心理上幫助了世界各地的很多人,我還一直希望能在身體上幫助他們,而你成功地做到了這一點?!?014 年 2 月,在拉查佩爾 18 歲生日兩個月后,羅賓斯提供啟動資金成立了 Unlimited Tomorrow 公司。

                      Unlimited Tomorrow 的追求與挑戰

                      拉查佩爾很快得知,雖然他的機械手臂很先進,但是必須繼續改進創新,才能顛覆手臂假肢市場,特別是對那些他想幫助的患者:和那個給予他靈感的七歲女孩一樣的孩子們。

                      第一個問題是,拉查佩爾制造的手臂重達八磅。一個普通兒童手臂假肢的重量在兩磅半到四磅之間,但即使這樣對許多孩子來說也太重了?!耙粋€令人無奈的統計結果是,半數擁有手臂假肢的人都不穿戴假肢,” Unlimited Tomorrow 的業務開發副總裁肖恩·瓊斯 (Sean Jones) 說。

                      此外還有時間問題。兒童因成長而更換假肢的速度幾乎和換鞋子一樣快。有些人在成年之前會用掉四五個假肢,總價在 8 萬美元左右。僅訂購和安裝假肢的過程就可能長達六個月,當兒童拿到新手臂時,可能已經戴不上了。

                      減輕重量和加快開發速度是 Unlimited Tomorrow 必須克服的兩大技術障礙。第三個障礙當然是降低假肢的高昂費用。但是,拉查佩爾和他的工程團隊還面臨著一個同樣重要的難題,即為年輕用戶提供一款穿戴舒適的假肢,不僅要功能實用,還要感覺舒適。瓊斯表示,“對一些兒童來說,手臂假肢的作用是功能上的,他們想做以前無法做的事情?!岸鴮α硗庖恍﹥和瘉碚f,手臂假肢的作用是心理上的,他們只是想戴上。我們很早就意識到,我們需要發明一款個性化的假肢,盡量與兒童的對側手臂相匹配?!?/FONT>

                      顛覆兒童假肢行業

                      轉眼到了 2019 年,Unlimited Tomorrow 推出了業內首款重量輕盈、經濟實用、外形逼真的多關節假肢 TrueLimb。這款假肢僅重 1.1 磅,比普通的兒童手臂假肢輕了三磅。TrueLimb 假肢可為每位用戶進行個性化定制,甚至可以精確到粗細、膚色和指甲。其價格為 8000 美元,遠遠低于傳統假肢。而最令人驚訝的是,兒童在幾周內就能拿到 TrueLimb,甚至無需走出舒適的家門。

                      拉查佩爾及其團隊是如何迅速顛覆假肢行業的?答案是引入了多項先進技術:遠程 3D 掃描、電子傳感和增材制造技術。

                      Unlimited Tomorrow 直達消費者的方案始于客戶的家,也終于客戶的家。該公司會向用戶寄送一個 3D 掃描儀,用戶在朋友或家人的幫助下對其殘臂進行 3D 掃描,并提供對側手臂的照片用于匹配。用戶可在 450 種膚色中選擇,然后將信息發回公司。之后,Unlimited Tomorrow 3D 打印出 TrueLimb 并寄送給用戶,用戶收到假肢的速度比傳統流程快了五倍。

                      增材制造的價值

                      盡管 TrueLimb 的成功要歸功于一系列技術,其中最重要的是專有的肌肉傳感技術,可賦予用戶多種抓握功能和單手指控制能力,但同時,增材制造技術也同樣不可或缺。拉查佩爾說,“自從在臥室使用那臺廉價打印機以來,我一直在用 3D 打印技術超越極限。多年來,我們嘗試了各種機器,但是一直未能找到足夠堅固耐用,又足夠個性化、能夠貼合用戶需求的機器?!?/FONT>

                      引進惠普多射流熔融 580 彩色 3D 打印機。拉查佩爾表示,“我們是美國第一家收到 580 的公司,我們在這些機器上走過的路可能比世界上任何人的都要多。這款機器能幫助我們實現材料強度和色彩精度的完美結合?!?/FONT>

                      解決最重要的接受腔問題

                      盡管有各種先進技術加持,Unlimited Tomorrow 當時仍面臨一大技術挑戰,影響著它擴大 TrueLimb 市場規模的能力。手臂假肢最重要的部分是連接人體殘肢的接受腔。接受腔不僅包含激活手部靈活度的傳感器,而且決定著假肢的舒適與否。

                      但是 Unlimited Tomorrow 的工程師們很難設計出用戶所需的量身定制般的接受腔。首席機械設計工程師馬特·蘭多爾法 (Matt Landolfa) 表示:“在以前的流程中,我們會先對用戶的殘肢進行 3D 掃描,再上傳到 CAD 工具中,將其和通用的接受腔模型進行結合。然后,我們再用另一個軟件將這個通用模型轉變為掃描結果。這個過程很慢,而且很難修改結果。我們經常需要返工重做,而且無法保證下一次準能成功?!?/FONT>

                      鑒于 Unlimited Tomorrow 現有和未來的客戶量,減少測試用接受腔的數量對于擴大業務規模至關重要。他們需要能夠幫助高效制作個性化接受腔的軟件。

                      拉查佩爾對市場上是否有這種能解決他們問題的軟件心存疑慮。后來他碰巧在一次會議上遇到了西門子公司的一位高管。拉查佩爾回憶說,“我們安排了和 NX 產品工程團隊進行面談,在第一次見面時,我就對他們說,‘聽我說,我認為 NX 或任何其他 CAD 軟件包都幫不了我們。我們需要的東西真的非常非常難找?!?/FONT>

                      NX 是 Siemens Digital Industries Software 旗下綜合性、集成式軟件和服務 Xcelerator? 產品組合的一部分。

                      在接下來的幾個月里,西門子的工程師們證明了拉查佩爾是錯的。西門子的咨詢顧問與 Unlimited Tomorrow 工程團隊合作,利用“NX? 產品模板工作室”軟件開發了一個解決方案。新的解決方案將自動化優化和基于規則的參數化設計相結合,使蘭多爾法團隊能夠更好地控制接受腔的幾何形狀。

                      據蘭多爾法說,新的接受腔設計工作流程取得成功的一個關鍵因素,是幾何形狀的高度吻合?!坝捎诮鉀Q方案全部在一個系統中,如果需要調整,我們不必像以前那樣重啟程序?!?/FONT>

                      該系統的簡單性對 Unlimited Tomorrow 的業務尤為重要。隨著他們擴大規模,滿足不斷增長的需求,他們計劃不再讓工程師用 NX 進行臨床監督,而改由臨床醫師來操作軟件。

                      但是,新的 NX 方法對接受腔開發過程帶來的最大優勢,是其實現的質量水平和一致性。拉查佩爾說,“由 NX 推動的接受腔開發過程在公司上下引起了巨大連鎖反應。目前,我們正在拓展該軟件的應用范圍,進一步實現流程優化和自動化?!?/FONT>

                      NX 增材制造的額外優勢

                      NX 在個性化掃描到打印應用方面的能力,并非 Unlimited Tomorrow 從該軟件獲得的唯一優勢。NX 增材制造軟件與惠普的 3D 打印機緊密相連,并針對工業化增材制造進行調優。對蘭多爾法來說,NX 的影響是不言而喻的:“ NX 使惠普 580 打印機的輸出更加順暢,我們力求為客戶提供感覺自然、外形美觀的 TrueLimb。利用我們的舊版軟件,可以看到 3D 打印中仍有很多小平面,但是使用 NX 則不會出現這種情況。它的幾何形狀非常精確,外觀更加逼真?!?/FONT>

                      這一點不僅體現在 TrueLimb 的接受腔上,還延伸到了上臂假肢的所有其他部件上。Unlimited Tomorrow 正在將所有部件的設計轉移到 NX 環境中。同時,他們也在探索 NX 的自動化嵌套功能。拉查佩爾表示,“我們正在迅速擴大規模。在實現目標之前,我們需要優化 HP580 的生產能力,而這正是自動嵌套發揮作用的地方?!?/FONT>

                      Unlimited Tomorrow 的廣闊前景

                      Unlimited Tomorrow 未來將會怎樣?已于 2020 年底年滿 25 歲的拉查佩爾有著雄心勃勃的目標。他說,“七年前,當我獨自在臥室里制造第一個機器手臂的時候,如果有人對我說,我會取得今天的成就,我絕不會相信。如今,在經歷了這一切之后,我更在意的是我們將來會有何成就。我們一直在問一個基本的問題:‘我們如何建立一家能夠改變全球 4000 萬截肢患者生活的企業?’”

                      “這是我們的遠大目標。而這意味著要大幅提高運營規模。在這一過程中,我們離不開 3D 打印技術和增材制造軟件的幫助?!?/FONT>

                      (NX)

                      標簽:NX 我要反饋 
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