NX 助力革新儿童个性化手臂假肢的远程开发

一位少年引发的医学革命

当年，伊斯顿·拉查佩尔决定打造一只功能齐全的假手时，年仅 14 岁。拉查佩尔在科罗拉多州的山中小镇曼科斯长大，他所在的八年级只有 23 个人。百无聊赖的他对机器人技术如痴如迷，很快就超出了学校所传的知识范围。“我开始窝在卧室，通过网络自学所需的机器人技术，”拉查佩尔说。

拉查佩尔决定制作一只遥控机械手，以此证明自己对机器人技术的热爱。他使用所有能找到的东西，如钓鱼线、乐高积木、绝缘胶带、挡风玻璃刮水器的电机等，拼凑了一个像电视剧主角马盖先的东西，并花了九个月的时间不断试验，但可惜屡试屡败，用他的话说，“败得很惨。”

最终，拉查佩尔做出了一只原始的机械手，但直到 16 岁生日时，他才开始改进设计，而这为他希望渺茫的未来确定了努力方向。当时，他买了一台廉价的激光切割木料 3D 打印机，开始昼夜钻研。他改进了机械手每根手指的灵活度和大拇指，然后继续造了前臂、肘部和肩部，最终做出了一条完整的手臂。

拉查佩尔带着自己的机械手臂参加了多个科学展会，从此声名大噪。拥有一只像变形金刚那样可以扔球和握手的手臂，比起司空见惯的火山爆发，更能引人注目。很快，拉查佩尔就进入美国国家航空航天局 (NASA) 实习。时任总统奥巴马在白宫和他的机械手臂握手。不久之后，拉查佩尔开始在世界各地发表主题演讲。

突如其来的灵感来源

这一切发生在 2013 年，尽管对于一个小镇少年而言，媒体的赞扬是令人陶醉的，但是当年一个不经意间的小事对拉查佩尔产生了巨大影响。他回忆道，“当时是在科罗拉多州的科学展会上，我注意到一个小女孩在试验我这个机械手臂的手指灵活度。我意识到她戴着一个假肢。那是我第一次在人身上看到那种技术。”

拉查佩尔和那个女孩及她父母攀谈起来，了解她的假肢是如何使用的。了解到的情况既令他非常灰心，但又深受启发。“我当时了解到，她的假肢竟然花了 8 万美元，而上面只有一个夹持装置，而且很快就会被淘汰，因为需要一年时间才能制成。我想，‘这不可能，我在卧室里造出的手臂才用了 300 美元。’我觉得难以置信，那也是我的顿悟之刻。”

这件事之后一个月，拉查佩尔受邀在科罗拉多州丹佛市发表科技、娱乐和设计 (TEDx) 演讲。在谈到经济实用的个性化假肢的前景时，拉查佩尔受到了全场观众起立鼓掌的肯定，并收到了著名励志演讲家和人生导师托尼·罗宾斯 (Tony Robbins) 的电话。拉查佩尔回忆说：“他对我说，‘我在心理上帮助了世界各地的很多人，我还一直希望能在身体上帮助他们，而你成功地做到了这一点。’”2014 年 2 月，在拉查佩尔 18 岁生日两个月后，罗宾斯提供启动资金成立了 Unlimited Tomorrow 公司。

Unlimited Tomorrow 的追求与挑战

拉查佩尔很快得知，虽然他的机械手臂很先进，但是必须继续改进创新，才能变革手臂假肢市场，特别是对那些他想帮助的患者：和那个给予他灵感的七岁女孩一样的孩子们。

第一个问题是，拉查佩尔制造的手臂重达八磅。一个普通儿童手臂假肢的重量在两磅半到四磅之间，但即使这样对许多孩子来说也太重了。“一个令人无奈的统计结果是，半数拥有手臂假肢的人都不穿戴假肢，” Unlimited Tomorrow 的业务开发副总裁肖恩·琼斯 (Sean Jones) 说。

此外还有时间问题。儿童因成长而更换假肢的速度几乎和换鞋子一样快。有些人在成年之前会用掉四五个假肢，总价在 8 万美元左右。仅订购和安装假肢的过程就可能长达六个月，当儿童拿到新手臂时，可能已经戴不上了。

减轻重量和加快开发速度是 Unlimited Tomorrow 必须克服的两大技术障碍。第三个障碍当然是降低假肢的高昂费用。但是，拉查佩尔和他的工程团队还面临着一个同样重要的难题，即为年轻用户提供穿戴舒适的假肢，不仅要功能实用，还要感觉舒适。琼斯表示，“对一些儿童来说，手臂假肢的作用是功能上的，他们想做以前无法做的事情。“而对另外一些儿童来说，手臂假肢的作用是心理上的，他们只是想戴上。我们很早就意识到，我们需要发明个性化的假肢，尽量与儿童的对侧手臂相匹配。”

变革儿童假肢行业

转眼到了 2019 年，Unlimited Tomorrow 推出了业内首款重量轻盈、经济实用、外形逼真的多关节假肢 TrueLimb。这款假肢仅重 1.1 磅，比普通的儿童手臂假肢轻了三磅。TrueLimb 假肢可为每位用户进行个性化定制，甚至可以精确到粗细、肤色和指甲。其价格为 8000 美元，远远低于传统假肢。而更令人惊讶的是，儿童在几周内就能拿到 TrueLimb，甚至无需走出舒适的家门。

拉查佩尔及其团队是如何迅速变革假肢行业的？答案是引入了多项先进技术：远程 3D 扫描、电子传感和增材制造技术。

Unlimited Tomorrow 直达消费者的方案始于客户的家，也终于客户的家。该公司会向用户寄送一个 3D 扫描仪，用户在朋友或家人的帮助下对其残臂进行 3D 扫描，并提供对侧手臂的照片用于匹配。用户可在 450 种肤色中选择，然后将信息发回公司。之后，Unlimited Tomorrow 3D 打印出 TrueLimb 并寄送给用户，用户收到假肢的速度比传统流程快了五倍。

增材制造的价值

尽管 TrueLimb 的成功要归功于一系列技术，其中较重要的是专有的肌肉传感技术，可赋予用户多种抓握功能和单手指控制能力，但同时，增材制造技术也同样不可或缺。拉查佩尔说，“自从在卧室使用那台廉价打印机以来，我一直在用 3D 打印技术超越极限。多年来，我们尝试了各种机器，但是一直未能找到足够坚固耐用，又足够个性化、能够贴合用户需求的机器。”

引进惠普多射流熔融 580 彩色 3D 打印机。拉查佩尔表示，“我们是美国第一家收到 580 的公司，我们在这些机器上走过的路可能比世界上任何人的都要多。这款机器能帮助我们兼顾材料强度和色彩精度。”

解决更重要的接受腔问题

尽管有各种先进技术加持，Unlimited Tomorrow 当时仍面临一大技术挑战，影响着它扩大 TrueLimb 市场规模的能力。手臂假肢更重要的部分是连接人体残肢的接受腔。接受腔不仅包含激活手部灵活度的传感器，而且决定着假肢的舒适与否。

但是 Unlimited Tomorrow 的工程师们很难设计出用户所需的量身定制般的接受腔。首席机械设计工程师马特·兰多尔法 (Matt Landolfa) 表示：“在以前的流程中，我们会先对用户的残肢进行 3D 扫描，再上传到 CAD 工具中，将其和通用的接受腔模型进行结合。然后，我们再用另一个软件将这个通用模型转变为扫描结果。这个过程很慢，而且很难修改结果。我们经常需要返工重做，而且无法保证下一次准能成功。”

鉴于 Unlimited Tomorrow 现有和未来的客户量，减少测试用接受腔的数量对于扩大业务规模至关重要。他们需要能够帮助高效制作个性化接受腔的软件。

拉查佩尔对市场上是否有这种能解决他们问题的软件心存疑虑。后来他碰巧在一次会议上遇到了西门子公司的一位高管。拉查佩尔回忆说，“我们安排了和 NX 产品工程团队进行面谈，在第一次见面时，我就对他们说，‘听我说，我认为 NX 或任何其他 CAD 软件包都帮不了我们。我们需要的东西真的非常非常难找。’”

NX 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。

在接下来的几个月里，西门子的工程师们证明了拉查佩尔是错的。西门子的咨询顾问与 Unlimited Tomorrow 工程团队合作，利用“NX™ 产品模板工作室”软件开发了一个解决方案。新的解决方案将自动化优化和基于规则的参数化设计相结合，使兰多尔法团队能够更好地控制接受腔的几何形状。

据兰多尔法说，新的接受腔设计工作流程取得成功的一个关键因素，是几何形状的高度吻合。“由于解决方案全部在一个系统中，如果需要调整，我们不必像以前那样重启程序。”

该系统的简单性对 Unlimited Tomorrow 的业务尤为重要。随着他们扩大规模，满足不断增长的需求，他们计划不再让工程师用 NX 进行临床监督，而改由临床医师来操作软件。

但是，新的 NX 方法对接受腔开发过程带来的一大优势，是其实现的质量水平和一致性。拉查佩尔说，“由 NX 推动的接受腔开发过程在公司上下引起了巨大连锁反应。目前，我们正在拓展该软件的应用范围，进一步实现流程优化和自动化。”

NX 增材制造的额外优势

Unlimited Tomorrow 从 NX 获得诸多优势，不仅限于该软件的个性化扫描-打印应用方面的功能。NX 增材制造软件与惠普的 3D 打印机紧密相连，并针对工业化增材制造进行调优。对兰多尔法来说，NX 的影响是不言而喻的：“ NX 使惠普 580 打印机的输出更加顺畅，我们力求为客户提供感觉自然、外形美观的 TrueLimb。利用我们的旧版软件，可以看到 3D 打印中仍有很多小平面，但是使用 NX 则不会出现这种情况。它的几何形状非常精确，外观更加逼真。”

这一点不仅体现在 TrueLimb 的接受腔上，还延伸到了上臂假肢的所有其他部件上。Unlimited Tomorrow 正在将所有部件的设计转移到 NX 环境中。同时，他们也在探索 NX 的自动化嵌套功能。拉查佩尔表示，“我们正在迅速扩大规模。在实现目标之前，我们需要优化 HP580 的生产能力，而这正是自动嵌套发挥作用的地方。”

Unlimited Tomorrow 的广阔前景

Unlimited Tomorrow 未来将会怎样？已于 2020 年底年满 25 岁的拉查佩尔有着雄心勃勃的目标。他说，“七年前，当我独自在卧室里制造第一个机器手臂的时候，如果有人对我说，我会取得今天的成就，我绝不会相信。如今，在经历了这一切之后，我更在意的是我们将来会有何成就。我们一直在问一个基本的问题：‘我们如何建立一家能够改变全球 4000 万截肢患者生活的企业？’”

“这是我们的远大目标。而这意味着要大幅提高运营规模。在这一过程中，我们离不开 3D 打印技术和增材制造软件的帮助。”