開源 3D 列印的 Robohand 義肢自造入門需知

我們都聽多了「雙手萬能」，知道人類因站立而空出雙手，才「創造」出與眾生不同的文明世界，但是，我們的這雙手有多麼神奇？對我們的生活有多重要呢？

▲是否想過，少了手會是什麼生活情境呢？

試著做一個動作，把一隻手的指頭握起來，過過一個小時沒有正常手指的生活。當你想洗個臉，怎麼把毛巾扭乾？想吃頓飯，在廚房、在餐桌上會有什麼困難－例如，該怎麼轉開一個罐頭？想出門了，如何脫下再穿上一件衣服，以及鞋、襪？如果想騎單車，又會是什麼情況呢？

從這樣的體驗，或許能夠更清楚由Robohand推展開來的開源3D列印義肢自造運動，對於有需要的人會有多大的幫助了。上文介紹Robohand的故事由來，本文再來進一步談談，Robohand這類義肢的技術定位與自造需知。

認識義肢技術

今日的義肢技術不斷進步，甚至被喻為是這個世紀中最有希望的先進技術。在技術定位上，大致可依動力來源區分為被動式和主動式兩大類，其中身體動力型的被動式技術，靠的是身體既存肢體部位的關節肌肉力量，去連動控制手部義肢做出動作來，不需動手術或複雜的客製工程就能做到，Robohand就是這類型的義肢。

不過，被動式義肢的運用限制較大，使用上較費力，操作動作也無法太過精細，如想用它來彈一首鋼琴曲，恐怕會很挫折。相較之下，主動式義肢因有電池動力驅動馬達，讓使用上更省力、握力更強，在皮膚或神經感測技術的輔助下，甚至可以做到極精確和複雜的動作。

主動式義肢是集今日機、電、生物等科技大成的一項成果，它的外觀看起來與電影中常見的機器人四肢一般無異。目前發展中的主動式義肢可再分為兩大類，分別是肌電式（myoelectric）義肢及神經植入式義肢。

肌電式義肢

肌電式義肢是目前較成熟的主動式方案，主要是靠對殘肢皮膚肌電圖（EMG）的感測來控制動作。這類義肢在各個關節中裝了微型馬達，已能相當精準地執行各種動作，例如拿起鑰匙插入鑰匙孔、為香蕉撥皮，或抓緊單槓將身體吊起在半空。知名的解決方案包括手部義肢的i-Limb及本刊曾報導過的腳部義肢BiOM，在開源計畫中則有Open Hand Project。

▲肌電式義肢在各個關節中裝了微型馬達，已能相當精準地執行各種動作。（圖片來源）

讓肌電式義肢動起來的關鍵，來自對安裝者既存肢體皮膚表面的肌電圖（Electromyography，EMG）的量測，也就是運用電極與肢體連結，去偵測肌肉輕微收縮時產生的生理訊號，它含有使用者大腦傳達過來的肢體運動意圖，經過訊號放大、運算解讀後，義肢中的處理器會控制機械結構做出大腦要求的動作。

神經植入式義肢

不過，即使接上了肌電式義肢，肢障者仍會覺得有些卡卡的，無法做到極細膩的動作，例如彈鋼琴，或是想做Maker的焊接動作。更先進的義肢科技正嘗試將義肢與殘肢的神經接駁，喚醒殘肢對應的神經與大腦區域，讓義肢不只是假肢，而像是「重生的肢體」一般，可以「為心所欲」的使用它。這是一個結合先進生物科技的發展中技術，有機會再做深入介紹，有興趣者可參考延伸閱讀。

▲Amanda Kitts是首位接受神經植入義肢手術的女性。（圖片來源）

RRobohand自造需知

既然有了極接近真手的主動式義肢，為何還需要Robohand這類看起來像玩具的假手呢？

首先，當然是因為一分錢一分貨，愈靈敏的方案就會愈貴，像BiOM的定製價就是4萬美元（約120萬台幣）起跳，一般肢障者根本負擔不起。其次是對肢障孩童來說，因仍處於成長階段，若定製主動式義肢，就像鞋子、衣服一樣，不用多久就不合身了，對家長可說是難以承受之重。

相較之下，精巧設計的被動式方案已能為肢障者帶來很大的便利。相較於主動式方案，它的成本親民多了；因不需電池驅動馬達，所以很輕巧、不會聽到馬達噪音，也不用擔心沒電時功能失靈，即使故障了也很容易維護。如今有了Robohand這類開源計畫，再結合逐漸普及化的3D列印工具，確實為肢障者或其家長開啟了一扇方便之門。

就材料成本而言，自主列印組裝Robohand的成本相當低，包括3D列印材料（PLA）、螺絲、線材等，大約只要數美元即可。不過，若要做到舒適、可靠和耐用，仍有不小的學問在其中。且來看看Robohand團隊在其部落格中的一些自造注意要點。

1. 正確量測資料

首先要知道Robohand在Thingiverse上的開源設計資料，有不同的適用情境，有的可以實用（耐用性高），有的則屬於展示用途，不適合長久或重度使用。其次是量身定做的部分，需精確量測使用者的肢體尺寸，才能為3D列表機提供正確的列印參數。

2. 選用不鏽鋼金屬材料

組合義肢的材料品質很重要，必須慎選，否則外表鏽蝕難看是一回事，造成皮膚受傷或感染就不妙了。Robohand團隊建議使用金屬組件應選用不鏽鋼材料，如此一來成本似乎升高了，但在安全性和耐用性上都能提升，而且若是孩子在用，等他/她長大要「換手」時，還可以回收再利用，看來是有投資的價值。

3. 使用醫用級接觸材料

▲Robohand接觸材質選用Orthoplastic（圖片來源）

相較於操控性，舒適度可能是義肢會不會被經常使用的關鍵，而是否舒適，往往決定於義肢與人體接觸的材料選擇。很顯然地，3D列印用的PLA塑膠並不適合長期與皮膚接觸，因此Robohand團隊建議使用醫療用的Orthoplastic材料。

這種材料稱為會呼吸的樹脂，只要泡熱水就可以軟化塑型，定型後仍具備足夠的彈性，可以分散義肢與皮膚接觸的表面壓力。它的好處還很多，例如可以經常清洗來保持衛生，而且很耐用、不易破損，因此是被認可的醫用材料。不過，參與Robohand的Orthoplastic專家也指出，這材料的高可塑性是好處也是難處，使用者必須有足夠的訓練和經驗才能成功塑造出想要的形狀。

4. 配置前的限制評估

由於Robohand需靠手部特定關節的力量來帶動義肢，因此，安裝Robofinger（手指義肢）、Robohand（手掌義肢）及Roboarm（手臂義肢）的使用者必須滿足一些條件，主要是致動關節要能有30度以上的活動能力，才有辦法讓義肢順利動起來。

再來要檢驗肢障者的皮膚狀況。在有些情況下，如剛截肢不久、燒傷、其他手術後，皮膚正處於敏感期，這時就不適合配置義肢；另外有些人因神經受損造成皮膚不夠敏感，也不適合配置，因為一旦皮膚有傷口卻不知道，可能引發嚴重的感染。

▲有些皮膚並不適合配置義肢（圖片來源）

台灣3D列印社會自造接軌

然而，當以上條件都滿足了，仍不能保證自造者可以為肢障者做出滿意的Robohand。畢竟這是一支模擬「萬能」真手的假手，在零件組裝和接合安裝上仍有著不少的學問，雙手正常的人可能怎樣都無法「體驗」地到（也不想）吧。

▲從木匠到義肢工藝及公益，Richard開啟了新的人生。（圖片來源）

這就突顯了Richard van As（Robohand創辦人）在研發和製作Robohand上的獨特地位。過去他都是義務幫忙需要者設計製造義肢，但隨著「定單」的增加及對品質上的要求，現在他除了辦工作坊授課外，親自做的案子也要收費了，報價是2000美元（約台幣6萬元）。覺得貴？恐怕付了款還得排隊等很久呢！

從木匠到義肢工藝及公益，Richard開啟了新的人生，若說天助自助，大概就是這麼一回事吧。相信許多肢障朋友都願意自助、自造，只是欠缺臨門的一把扶持。雙手仍然萬能的我們，來做點事吧！

在E-Nable map的3D列印支持計畫中，一向愛心不落人後的台灣仍未出現加入者，該是不知道有這一回事吧。事實上，相較於參與者密密麻麻的歐、美大陸，亞洲參與者則是屈指可數，目前台灣擁有3D列印機的單位或個人已經不少，是不是由那個Makerspace率先來響應呢？

可參考的技術文件