摘要：科学家们已经将电子传感器与个性化3D打印假肢整合在一起。

当地青少年Josie Fraticelli的手模型在个性化假肢的开发过程中被扫描。

图片来源：弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）

随着3D打印的发展，完全可以从开源数据库中的模型中3D打印自己的假肢。但这些模型缺乏个性化的电子用户界面，如那些昂贵的、最先进的假肢。

现在，弗吉尼亚理工大学的一位教授和他的跨学科本科生研究团队已经在将电子传感器与个性化3D打印假肢集成方面取得了进展，这一发展有朝一日可以带来更实惠的电动假肢。

这项新发布的研究来自弗吉尼亚理工大学工业和系统工程助理教授布莱克·约翰逊（Blake Johnson）的实验室，在改进3D打印个性化可穿戴系统的功能方面向前迈出了一步。

通过将电子传感器集成在假肢和佩戴者组织之间的交叉点，研究人员可以收集与假肢功能和舒适度相关的信息，例如穿戴者组织的压力，这可以帮助改善这些类型的假肢的进一步迭代。

通过保形3D打印技术将材料整合到3D打印假肢的成形区域中，而不是在打印后进行手动整合，这也可以为匹配佩戴者组织的硬度和在不同时间集成传感器的独特机会铺平了道路 形状拟合界面上的位置。与传统3D打印不同，传统3D打印涉及在平坦表面上以逐层方式沉积材料，保形3D打印允许在弯曲表面和物体上沉积材料。

工业和系统工程研究生Yucin Tong、已发表研究报告的第一作者表示，最终目标是创造工程实践和流程，使尽可能多的人参与进来，从帮助为当地一名青少年研制假肢开始。

“希望每位家长都能按照我们发表的论文中的描述来做，为孩子开发出一种低成本的个性化假肢。”Tong说。

为了开发与电子传感器集成的假肢，研究人员开始使用3D扫描数据，类似于以各种角度拍摄照片以获得物体的完整形状，在本例中，是青少年肢体的模型。

然后，他们使用3D扫描数据，使用保形3D打印技术，将传感器集成到假体的成形腔中。

研究团队开发的过程将进一步应用于个性化医疗和可穿戴系统的设计。

“使用3D扫描和3D打印对可穿戴系统接口的特性和功能进行个性化和修改，为设计和制造人类辅助和保健的新技术打开了大门，并检查了与可穿戴系统的功能和舒适性相关的基本问题。”约翰逊说。

约翰逊对假肢的研究受到了启发，当他得知他的同事的女儿，12岁的Josie Fraticell出生时患有羊膜带综合征。在子宫内，她的手停止了发育。线状羊膜带限制了血液流动，影响了右手的发育，导致关节外形成不足。

约翰逊利用他在增材生物制造方面的相关研究专长以及一个跨学科的本科研究团队，为Fraticelli 3D打印仿生手，这将成为现在发表的研究的基础。

当他们与Fraticelli合作时，他们通过开发新的增材制造技术继续调整原型假肢，这种技术可以更好地贴合Fraticelli的手掌，创造出更舒适、更贴身的假肢装置。

他们证实，与非个性化装置相比，假肢的个性化使Fraticelli组织和假体之间的接触增加了近四倍。这种增加的接触面积有助于他们确定在哪里部署传感电极阵列以测试压力分布，这有助于他们进一步改进设计。

使用具有和不具有感测电极阵列的两个个性化假体进行感测实验。通过对Fraticelli进行这些实验，他们发现当她放松手时的压力分布与以弯曲姿势握住手时的压力分布是不同的。

“软皮肤和刚性界面之间的不匹配仍然是一个会降低整合度的问题。从分配更好的压力平衡的角度来看，传感电极阵列可以打开另一个新区域以改善假肢设计。”Tong说。

总体而言，Fraticelli确实感觉到新的个性化假肢提高了她的舒适度。由于她的手在不同的姿势下是柔软和可变的，并且假体材料是刚性的并且是固定的，因此整合水平可以继续改变。

个性化假肢仍有改进的空间，约翰逊的团队将继续研究和开发增材制造的新技术，以改进可穿戴仿生设备。

这项研究得到了国家科学基金会（本科教育部）和弗吉尼亚理工大学学生工程师委员会的支持；计算机组织工程跨学科研究生研究计划和创造力、艺术和技术研究所。