數(shù)字技術(shù)推動(dòng)“無(wú)障礙設(shè)計(jì)”新發(fā)展

許哲誠(chéng) 徐旻培 劉思佳

摘要：本文以南京藝術(shù)學(xué)院（簡(jiǎn)稱“南藝”）無(wú)障礙設(shè)計(jì)工作坊承擔(dān)的一次具有實(shí)驗(yàn)意義的3D打印牽引義肢設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，探討如何運(yùn)用數(shù)字技術(shù)拉近器具與人體的“功能距離”，使二者的融合更加有機(jī)、更加適切，為人們破解既往難題，為未來(lái)的無(wú)障礙設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)障礙設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì) 3D打印

無(wú)障礙設(shè)計(jì)旨在為行為不便或生理傷殘、缺陷者提供能夠滿足特殊需求的服務(wù)功能與裝置。3D打印義肢是一個(gè)高度跨學(xué)科的設(shè)計(jì)課題，是用戶需要、產(chǎn)業(yè)急需但尚無(wú)任何藝術(shù)類(lèi)高校開(kāi)展過(guò)的“新工科”設(shè)計(jì)課程。義肢設(shè)計(jì)實(shí)踐的開(kāi)展需要整合多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，如醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、材料學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)以及用戶體驗(yàn)研究等?？鐚W(xué)科合作對(duì)于藝術(shù)類(lèi)院校來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，但這也是在新的科技、文化和社會(huì)環(huán)境里探索藝術(shù)與科技創(chuàng)新結(jié)合的新機(jī)遇。

近年來(lái)，隨著以參數(shù)化設(shè)計(jì)和3D打印為代表的數(shù)字設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷成熟，它們的應(yīng)用領(lǐng)域和研究深度也隨之不斷拓展與深入。如何運(yùn)用數(shù)字技術(shù)探索人類(lèi)未來(lái)的復(fù)雜需求和生成可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新方案，成為當(dāng)下一個(gè)重要的研究議題。在此背景下，南京藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)院舉辦了無(wú)障礙設(shè)計(jì)工作坊，旨在在數(shù)字技術(shù)語(yǔ)境下，開(kāi)發(fā)功能性與形態(tài)美感兼具的無(wú)障礙設(shè)計(jì)作品。此次工作坊是南藝設(shè)計(jì)學(xué)院參數(shù)化教學(xué)形態(tài)的一種集體敘事，也是對(duì)當(dāng)下社會(huì)需求和設(shè)計(jì)趨勢(shì)的一種及時(shí)反饋。

一、設(shè)計(jì)調(diào)研：數(shù)字醫(yī)療與3D打印

國(guó)內(nèi)醫(yī)療行業(yè)對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代后期，最初主要用于快速制造3D醫(yī)療模型，來(lái)幫助醫(yī)生與患者溝通、判斷病情以及進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。近年來(lái)，隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的興起與數(shù)字增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字醫(yī)療迎來(lái)了新的突破口，傳統(tǒng)診療模式正在經(jīng)歷變革，逐步從經(jīng)驗(yàn)化、推導(dǎo)化、輪廓化轉(zhuǎn)向數(shù)字化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化的方向發(fā)展。作為數(shù)字化技術(shù)的集中體現(xiàn)，3D打印已成為推動(dòng)數(shù)字醫(yī)療發(fā)展的重要力量之一，其大大推動(dòng)了醫(yī)療定制化、精準(zhǔn)化的發(fā)展進(jìn)程（圖1）。

3D打印在數(shù)字醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是骨科領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，其臨床應(yīng)用發(fā)展迅猛，目前在手術(shù)規(guī)劃、訓(xùn)練模型、精準(zhǔn)手術(shù)導(dǎo)板、金屬植入物、贗復(fù)耳鼻和康復(fù)支具等領(lǐng)域的應(yīng)用已基本成熟（圖2）。因3D打印技術(shù)不受限于打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形，且有快速成型的特點(diǎn)，適用于個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在骨與關(guān)節(jié)損傷、畸形、中樞神經(jīng)系統(tǒng)脊髓損傷的骨科矯形器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中有著非常廣泛的應(yīng)用，骨科矯形器也許是3D打印最流行、最接地氣的應(yīng)用之一（圖3）。

義肢一直是無(wú)障礙器具研發(fā)的重點(diǎn)，但現(xiàn)有的產(chǎn)品高昂的價(jià)格讓絕大多數(shù)殘障人士望塵莫及。在國(guó)內(nèi)，根據(jù)中國(guó)康復(fù)輔助器具協(xié)會(huì)發(fā)布的中國(guó)康復(fù)輔助器具基本產(chǎn)品指導(dǎo)價(jià)格目錄（2017年）顯示（圖4），部分手假肢價(jià)格從1200到38000元人民幣不等。在中國(guó)，約有2400萬(wàn)的人口具有肢體缺陷問(wèn)題，其中2/3的殘疾人口家庭經(jīng)濟(jì)條件困難，1歲至14歲的兒童占比約4.6%，尤其對(duì)于低齡者來(lái)說(shuō)，使用假肢也不是一勞永逸的。由于每個(gè)孩子肢體尺寸不同，生產(chǎn)商沒(méi)有辦法按統(tǒng)一的規(guī)格大批生產(chǎn)，以至于市面上幾乎沒(méi)有針對(duì)兒童的醫(yī)療器械。隨著孩子的發(fā)育成長(zhǎng)，如果要繼續(xù)使用義肢就必須重新制作，反復(fù)的費(fèi)用支出對(duì)于使用者家庭來(lái)講也是不小的負(fù)擔(dān)（圖5）。

針對(duì)上述問(wèn)題，在E-NABLE全球志愿者網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上啟動(dòng)了一項(xiàng)3D打印假肢的公益活動(dòng)，這個(gè)平臺(tái)上3D打印假肢的費(fèi)用在50美元左右，折合人民幣約350元，比傳統(tǒng)假肢價(jià)格降低了許多。這為那些失去手臂的孩子，特別是家境困難的孩子，帶來(lái)了新的希望。在中國(guó)，創(chuàng)立于2015年的“展翼計(jì)劃”是一個(gè)以普及性的創(chuàng)新科技滿足弱勢(shì)群體的切身之需的公益組織，致力于用3D打印經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)易的機(jī)械義肢，幫助中國(guó)有肢體殘疾問(wèn)題的青少年兒童（圖6）。然而，現(xiàn)有的3D打印義肢造型大多粗糙、冰冷，這給使用者帶來(lái)了一定的心理負(fù)擔(dān)。因此，本次設(shè)計(jì)實(shí)踐積極與“展翼計(jì)劃”聯(lián)動(dòng)，在有限的成本條件下進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，努力實(shí)現(xiàn)兼具功能性與形態(tài)美感的義肢設(shè)計(jì)，希望能夠得到使用者生理和心理的雙重接納。

二、生成策略：補(bǔ)償與衍生

科幻小說(shuō)家菲利普 迪克（Philip K. Dick）曾在《仿生人會(huì)夢(mèng)見(jiàn)電子羊嗎？》（Do Androids Dream of Electric Sheep ）一書(shū)中架構(gòu)了一個(gè)可以無(wú)限逼近人類(lèi)的仿生人存在的世界。在小說(shuō)里，當(dāng)仿生人渴望得到一只電子羊作為寵物時(shí)，仿生人與人類(lèi)在心理和情感上的界限就蕩然無(wú)存了。這也映射出未來(lái)無(wú)障礙器具設(shè)計(jì)的一個(gè)方向——?dú)埣踩撕徒∪酥g的界限消散。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)人們開(kāi)始為了增強(qiáng)自身功能性而對(duì)肢體進(jìn)行替換或改造的時(shí)候，健全與殘疾、自然與仿生，就沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別了。這種關(guān)系也是對(duì)義肢認(rèn)識(shí)過(guò)程中主客體關(guān)系的反映，因而在實(shí)驗(yàn)情境中，也具有認(rèn)識(shí)論和方法論的意義。

在本次設(shè)計(jì)中，筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有義肢類(lèi)型的研究以及觀察義肢使用者的日常行為和由事件激發(fā)的身體與外界環(huán)境互動(dòng)的聯(lián)系，引發(fā)出對(duì)義肢與身體之間關(guān)系含義的兩個(gè)層面的思考：一層面是身體作為義肢“補(bǔ)償”的載體，身體的功能缺陷通過(guò)義肢進(jìn)行彌補(bǔ)，消解了健全與殘疾功能上的隔閡；另一層面是義肢作為身體的衍生品，使身體的功能通過(guò)義肢得到強(qiáng)化，消解了健全與殘疾的界限。本次實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)實(shí)踐探索了3D打印義肢設(shè)計(jì)的生成策略，旨在讓義肢產(chǎn)品在功能性框架內(nèi)，探索算法條件下藝術(shù)形式和功能衍生的多重可能性，在“補(bǔ)償”的狀態(tài)下創(chuàng)造彈性的“衍生”，并在數(shù)字設(shè)計(jì)語(yǔ)境下模擬算法組織形態(tài)的生成過(guò)程，將計(jì)算機(jī)語(yǔ)言作為一種設(shè)計(jì)方法加以運(yùn)用。

三、設(shè)計(jì)實(shí)踐：功能與形式

如今的義肢設(shè)計(jì)已經(jīng)不再僅僅針對(duì)單一的抓握功能范疇，未來(lái)義肢功能的定義和對(duì)使用場(chǎng)景的適應(yīng)將逐漸產(chǎn)生“自我進(jìn)化”似的彈性適應(yīng)，義肢和肉體的界限趨于模糊甚至消散，也許就是現(xiàn)實(shí)中的我們將要面對(duì)的未來(lái)。義肢作為一種無(wú)障礙設(shè)計(jì)器具，不僅僅因“補(bǔ)償”使用者而存在，它還有其獨(dú)立運(yùn)作的系統(tǒng)，達(dá)到了功能的逾越、前提的預(yù)設(shè)、工具的植入和個(gè)性化的定制，在功能和使用者心理等方面都做到“無(wú)障礙”設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)師需要在確定與不確定、實(shí)體與虛擬、傳統(tǒng)與未來(lái)之間去探討新的設(shè)計(jì)思路。

1.傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以說(shuō)是決定一款義肢產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵因素之一。隨著智能傳感和精密制造技術(shù)的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)也愈加精準(zhǔn)和智能，但是使用了該系統(tǒng)的義肢售價(jià)高昂，也是絕大多數(shù)家庭所負(fù)擔(dān)不起的。為了能解決大多數(shù)人的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，出于對(duì)使用成本和制造成本等限制性因素的考慮，本次義肢設(shè)計(jì)對(duì)“展翼計(jì)劃”產(chǎn)品中較為成熟的牽引式傳動(dòng)系統(tǒng)的手臂傳動(dòng)系統(tǒng)、關(guān)節(jié)回彈系統(tǒng)和手指抓握系統(tǒng)進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。

（1）手臂傳動(dòng)系統(tǒng)

現(xiàn)有義肢線性傳動(dòng)構(gòu)件大多過(guò)于暴露，這就增加了在使用過(guò)程中，因意外而造成牽引軌道斷裂或阻隔的風(fēng)險(xiǎn)。本次義肢設(shè)計(jì)將原本裸露的牽引系統(tǒng)進(jìn)行了隱藏處理，同時(shí)在手掌內(nèi)部和手指內(nèi)側(cè)鏤出精確的牽引軌道（圖9），在盡可能美觀的基礎(chǔ)上滿足使用者日常傳動(dòng)抓握的需求。

（2）關(guān)節(jié)回彈系統(tǒng)

在義肢手指完成一次抓握動(dòng)作之后需要快速回彈，恢復(fù)到最初形態(tài)，以便再次進(jìn)行牽引，進(jìn)行下一次抓握動(dòng)作?，F(xiàn)有的常規(guī)產(chǎn)品中，彈簧和皮筋這兩種材料在使用過(guò)一段時(shí)間后，會(huì)因?yàn)椴牧掀诙a(chǎn)生變形或斷裂，造成功能性缺失。在經(jīng)過(guò)參數(shù)化力學(xué)仿真和反復(fù)的材料實(shí)驗(yàn)之后，本次設(shè)計(jì)采用高彈力3D打印TPU作為替代材料。首先在指關(guān)節(jié)的重疊部分預(yù)留用于置入長(zhǎng)方體TPU的橫向腔體，其次設(shè)計(jì)出合適的TPU材料模型用于打印，最后將打印好的長(zhǎng)方體TPU置入預(yù)留的指關(guān)節(jié)腔中，就可以順利完成在抓握后的手指回彈動(dòng)作。高彈力3D打印TPU材料的使用，使義肢的抓握能力得到了較大的提升，同時(shí)也為后期的義肢維護(hù)提供了極大的便利，延長(zhǎng)了義肢的使用壽命。

（3）手指抓握系統(tǒng)

義肢使用頻率最高的動(dòng)作就是抓握動(dòng)作，常規(guī)打印材料的摩擦性能和包裹程度并不能滿足使用者的日常使用需求，因此如何防止抓握時(shí)物體脫落是一個(gè)亟待改善的問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)在手指指尖處設(shè)計(jì)了可替換式的軟性吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)肢體壓力使吸盤(pán)結(jié)構(gòu)展開(kāi)。同時(shí)“V”形的開(kāi)口通過(guò)材料的彈性向內(nèi)收縮，結(jié)合手指內(nèi)側(cè)的凹形弧線模擬真實(shí)的手部線條，以此來(lái)增加指尖的抓力，增強(qiáng)肢體的包裹性。同時(shí)利用吸盤(pán)結(jié)構(gòu)內(nèi)與指尖相連的氣管控制氣壓，利用氣壓加壓完成輕薄物體的拾取，解決了目前義肢不能拿取輕薄物體的難題（圖11）。

2.接受腔設(shè)計(jì)

接受腔作為義肢與人體直接接觸的部件，關(guān)系到使用者的舒適度和操作效率。為增加使用者與義肢的適配度以及滿足使用者一體感的使用需求，我們?cè)谌梭w工程學(xué)的基礎(chǔ)上分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)人體手臂的結(jié)構(gòu)曲線對(duì)接受腔內(nèi)部的貼合度和流暢性做出仔細(xì)調(diào)試，使接受腔內(nèi)部流線設(shè)計(jì)貼合人體肌肉分布，增加舒適度和適配性。接受腔的重量、厚度和透氣性以及制作的性價(jià)比，都是我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。接受腔鏤空結(jié)構(gòu)呈流線型，可以達(dá)到透氣、減輕重量、增加性價(jià)比的目的，并且可以使手肘部分在彎曲時(shí)無(wú)遮擋，使動(dòng)作運(yùn)行舒適自然。我們?yōu)橥怀鲆惑w化的打印優(yōu)勢(shì)，避免后期人員時(shí)間和精力的浪費(fèi)，在建模時(shí)將義肢接受腔與手掌的連接部分設(shè)計(jì)成無(wú)須后期補(bǔ)償螺釘?shù)囊惑w化轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，提高了義肢的使用壽命和效率，便于后期的維護(hù)和保養(yǎng)（圖12）。

3.衍生設(shè)計(jì)

從功能角度出發(fā)，義肢設(shè)計(jì)需考慮到滿足不同類(lèi)型人群對(duì)功能和外觀的需求，替換式的部件可以根據(jù)個(gè)人需要來(lái)選擇，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列利用插接結(jié)構(gòu)把插接部件與裝飾性部件、功能部件結(jié)合在一起的替換部件（圖13）。其實(shí)義肢有很多功能可以在插接部件上安裝或?qū)崿F(xiàn)，如音樂(lè)播放功能、通話視頻功能、健康檢測(cè)功能等，其造型風(fēng)格也可以隨著插接部分的替換達(dá)到簡(jiǎn)潔或繁復(fù)等具有個(gè)性化展示的效果。義肢電路板的模擬造型也可以做成真正的微型運(yùn)算器，這為未來(lái)義肢設(shè)計(jì)提供了更多可能性。

義肢的造型和裝飾既需要表現(xiàn)主題性，也需要輔助功能呈現(xiàn)，并不是孤立存在的。因此，在功能之外對(duì)形式進(jìn)行衍生，通過(guò)視覺(jué)的干預(yù)消除義肢使用者，尤其是低齡人群的心理負(fù)擔(dān)是很有必要的。“參數(shù)化”成為本次拓展新形式的主要手段和方法。Grasshopper是一款基于Rhino平臺(tái)運(yùn)行的程序化算法生成模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)插件，通過(guò)不同元素的輸入、算法的編寫(xiě)、參數(shù)的調(diào)節(jié)可以生成不同結(jié)果。

本次設(shè)計(jì)實(shí)踐，以《仿生人會(huì)夢(mèng)見(jiàn)電子羊嗎？》一書(shū)中的未來(lái)電子世界為概念來(lái)源，運(yùn)用Grassopper中的迭代算法結(jié)合電子元器件元素進(jìn)行形式演化，通過(guò)不同元素與算法的結(jié)合，最終生成了不同的數(shù)字實(shí)驗(yàn)作品。我們考慮到使用者對(duì)造型個(gè)性化的需求，義肢的裝飾部件輔以兩側(cè)的插接結(jié)構(gòu)作為可替換的形式，出現(xiàn)在義肢手臂里，使用者可以根據(jù)喜好進(jìn)行自由搭配（圖14）。裝飾部件由于是插接結(jié)構(gòu)，具有可替換性，所以可以進(jìn)行義肢個(gè)性化定制，滿足更多人的需要。

四、打印制造：開(kāi)放的數(shù)據(jù)互聯(lián)

對(duì)于義肢這樣個(gè)性化強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的定制產(chǎn)品，以3D打印為代表的增材制造技術(shù)無(wú)疑有著巨大的天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)。最突出的優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)須模具和數(shù)據(jù)互聯(lián)，這為使用者的定制需求貼上了高效的標(biāo)簽。在制造過(guò)程中，只需要將設(shè)計(jì)好的模型數(shù)據(jù)輸入打印設(shè)備中并進(jìn)行參數(shù)讀取，打印設(shè)備就可以自動(dòng)完成打印。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，還可以與世界各地的服務(wù)商完成數(shù)據(jù)傳輸和制作工作。本次實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)的制造采用了尼龍粉末選擇性激光燒結(jié)工藝SLS（Selective Laser Sintering）。與其他材料相比，尼龍?jiān)诓牧享g性和輕量化兩方面都有著天然的優(yōu)勢(shì)。

隨著數(shù)字醫(yī)療的發(fā)展，整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向個(gè)性化定制。3D打印和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)的發(fā)展使普通用戶也能參與到醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)平臺(tái)就可以獲取開(kāi)源的定制解決方案，自由選擇定制服務(wù)。這無(wú)疑為未來(lái)醫(yī)療器械制作的提質(zhì)增效創(chuàng)造了無(wú)限的可能性。

五、啟示與展望

經(jīng)過(guò)本次具有實(shí)驗(yàn)意義的無(wú)障礙設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們獲得了諸多有益啟示，概括為以下四點(diǎn)：

第一，新方式。協(xié)同設(shè)計(jì)（Co-design）鼓勵(lì)用戶參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，完成個(gè)性化的系統(tǒng)解決方案。無(wú)障礙設(shè)計(jì)應(yīng)該充分利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)信息互通的優(yōu)勢(shì)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)和數(shù)字制造技術(shù)進(jìn)行整合，讓消費(fèi)者通過(guò)相關(guān)平臺(tái)參與設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品。如此一來(lái)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)的對(duì)象由“一批人”變?yōu)榱恕耙粋€(gè)人”，使產(chǎn)品服務(wù)群體更加精準(zhǔn)。

第二，新方法。運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)基于若干個(gè)需求信息的產(chǎn)品的算法生成，使產(chǎn)品功能具有完整性、增益性。

第三，新形式。在立足功能補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，造型追求?gòu)件單元的多樣化和模塊化，便于消費(fèi)者選擇。再者，產(chǎn)品造型的適切性與美感的形成可借助數(shù)字化手段，即使是非常復(fù)雜的造型，也能夠較好地呈現(xiàn)出來(lái)。

第四，新材料。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)使物理材料飛速迭代更新，在無(wú)障礙設(shè)計(jì)中，對(duì)提升產(chǎn)品整體功能而言，瞄準(zhǔn)材料前沿，選取新的材料替代傳統(tǒng)材料尤為重要。

我們有理由相信，后數(shù)字范式著眼于從數(shù)字中啟動(dòng)新穎的、合成的跨學(xué)科研究過(guò)程，其有著驚人的蛻變能力，進(jìn)而挑戰(zhàn)舊的二元并列和條件，如過(guò)去和未來(lái)、器具和人體等。未來(lái)的無(wú)障礙設(shè)計(jì)，不僅僅滿足于人們生理功能的補(bǔ)償，更可能作為身體的強(qiáng)化和延伸，使人的生物功能得以增強(qiáng)。我們也有理由相信，有了數(shù)字技術(shù)的推動(dòng)，“設(shè)計(jì)，讓人性在場(chǎng)”的主張?jiān)谠O(shè)計(jì)實(shí)踐中會(huì)體現(xiàn)得更加充分，未來(lái)無(wú)障礙設(shè)計(jì)必將邁向一個(gè)新的發(fā)展階段。

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