数字技术推动“无障碍设计”新发展

许哲诚 徐旻培 刘思佳

摘要：本文以南京艺术学院（简称“南艺”）无障碍设计工作坊承担的一次具有实验意义的3D打印牵引义肢设计实践为例，探讨如何运用数字技术拉近器具与人体的“功能距离”，使二者的融合更加有机、更加适切，为人们破解既往难题，为未来的无障碍设计提供借鉴。

关键词：无障碍设计 参数化设计 3D打印

无障碍设计旨在为行为不便或生理伤残、缺陷者提供能够满足特殊需求的服务功能与装置。3D打印义肢是一个高度跨学科的设计课题，是用户需要、产业急需但尚无任何艺术类高校开展过的“新工科”设计课程。义肢设计实践的开展需要整合多个学科的内容，如医学、机械工程学、材料学、艺术设计以及用户体验研究等。跨学科合作对于艺术类院校来说是一个极大的挑战，但这也是在新的科技、文化和社会环境里探索艺术与科技创新结合的新机遇。

近年来，随着以参数化设计和3D打印为代表的数字设计与制造技术的不断成熟，它们的应用领域和研究深度也随之不断拓展与深入。如何运用数字技术探索人类未来的复杂需求和生成可持续发展创新方案，成为当下一个重要的研究议题。在此背景下，南京艺术学院设计学院举办了无障碍设计工作坊，旨在在数字技术语境下，开发功能性与形态美感兼具的无障碍设计作品。此次工作坊是南艺设计学院参数化教学形态的一种集体叙事，也是对当下社会需求和设计趋势的一种及时反馈。

一、设计调研：数字医疗与3D打印

国内医疗行业对3D打印技术的应用始于20世纪80年代后期，最初主要用于快速制造3D医疗模型，来帮助医生与患者沟通、判断病情以及进行手术规划。近年来，随着参数化设计技术的兴起与数字增材制造技术的快速发展，数字医疗迎来了新的突破口，传统诊疗模式正在经历变革，逐步从经验化、推导化、轮廓化转向数字化、精准化、个性化的方向发展。作为数字化技术的集中体现，3D打印已成为推动数字医疗发展的重要力量之一，其大大推动了医疗定制化、精准化的发展进程（图1）。

3D打印在数字医学领域，尤其是骨科领域应用最为广泛，其临床应用发展迅猛，目前在手术规划、训练模型、精准手术导板、金属植入物、赝复耳鼻和康复支具等领域的应用已基本成熟（图2）。因3D打印技术不受限于打印产品的结构外形，且有快速成型的特点，适用于个性化产品的设计。在骨与关节损伤、畸形、中枢神经系统脊髓损伤的骨科矫形器的产品开发中有着非常广泛的应用，骨科矫形器也许是3D打印最流行、最接地气的应用之一（图3）。

义肢一直是无障碍器具研发的重点，但现有的产品高昂的价格让绝大多数残障人士望尘莫及。在国内，根据中国康复辅助器具协会发布的中国康复辅助器具基本产品指导价格目录（2017年）显示（图4），部分手假肢价格从1200到38000元人民币不等。在中国，约有2400万的人口具有肢体缺陷问题，其中2/3的残疾人口家庭经济条件困难，1岁至14岁的儿童占比约4.6%，尤其对于低龄者来说，使用假肢也不是一劳永逸的。由于每个孩子肢体尺寸不同，生产商没有办法按统一的规格大批生产，以至于市面上几乎没有针对儿童的医疗器械。随着孩子的发育成长，如果要继续使用义肢就必须重新制作，反复的费用支出对于使用者家庭来讲也是不小的负担（图5）。

针对上述问题，在E-NABLE全球志愿者网络平台上启动了一项3D打印假肢的公益活动，这个平台上3D打印假肢的费用在50美元左右，折合人民币约350元，比传统假肢价格降低了许多。这为那些失去手臂的孩子，特别是家境困难的孩子，带来了新的希望。在中国，创立于2015年的“展翼计划”是一个以普及性的创新科技满足弱势群体的切身之需的公益组织，致力于用3D打印经济简易的机械义肢，帮助中国有肢体残疾问题的青少年儿童（图6）。然而，现有的3D打印义肢造型大多粗糙、冰冷，这给使用者带来了一定的心理负担。因此，本次设计实践积极与“展翼计划”联动，在有限的成本条件下进行改良设计，努力实现兼具功能性与形态美感的义肢设计，希望能够得到使用者生理和心理的双重接纳。

二、生成策略：补偿与衍生

科幻小说家菲利普 迪克（Philip K. Dick）曾在《仿生人会梦见电子羊吗？》（Do Androids Dream of Electric Sheep ）一书中架构了一个可以无限逼近人类的仿生人存在的世界。在小说里，当仿生人渴望得到一只电子羊作为宠物时，仿生人与人类在心理和情感上的界限就荡然无存了。这也映射出未来无障碍器具设计的一个方向——残疾人和健全人之间的界限消散。从另一个角度来说，当人们开始为了增强自身功能性而对肢体进行替换或改造的时候，健全与残疾、自然与仿生，就没有本质上的区别了。这种关系也是对义肢认识过程中主客体关系的反映，因而在实验情境中，也具有认识论和方法论的意义。

在本次设计中，笔者通过对现有义肢类型的研究以及观察义肢使用者的日常行为和由事件激发的身体与外界环境互动的联系，引发出对义肢与身体之间关系含义的两个层面的思考：一层面是身体作为义肢“补偿”的载体，身体的功能缺陷通过义肢进行弥补，消解了健全与残疾功能上的隔阂；另一层面是义肢作为身体的衍生品，使身体的功能通过义肢得到强化，消解了健全与残疾的界限。本次实验性的设计实践探索了3D打印义肢设计的生成策略，旨在让义肢产品在功能性框架内，探索算法条件下艺术形式和功能衍生的多重可能性，在“补偿”的状态下创造弹性的“衍生”，并在数字设计语境下模拟算法组织形态的生成过程，将计算机语言作为一种设计方法加以运用。

三、设计实践：功能与形式

如今的义肢设计已经不再仅仅针对单一的抓握功能范畴，未来义肢功能的定义和对使用场景的适应将逐渐产生“自我进化”似的弹性适应，义肢和肉体的界限趋于模糊甚至消散，也许就是现实中的我们将要面对的未来。义肢作为一种无障碍设计器具，不仅仅因“补偿”使用者而存在，它還有其独立运作的系统，达到了功能的逾越、前提的预设、工具的植入和个性化的定制，在功能和使用者心理等方面都做到“无障碍”设计。因此，设计师需要在确定与不确定、实体与虚拟、传统与未来之间去探讨新的设计思路。

1.传动系统设计

传动结构可以说是决定一款义肢产品好坏的关键因素之一。随着智能传感和精密制造技术的发展，传动系统也愈加精准和智能，但是使用了该系统的义肢售价高昂，也是绝大多数家庭所负担不起的。为了能解决大多数人的现实问题，出于对使用成本和制造成本等限制性因素的考虑，本次义肢设计对“展翼计划”产品中较为成熟的牵引式传动系统的手臂传动系统、关节回弹系统和手指抓握系统进行了改良设计。

（1）手臂传动系统

现有义肢线性传动构件大多过于暴露，这就增加了在使用过程中，因意外而造成牵引轨道断裂或阻隔的风险。本次义肢设计将原本裸露的牵引系统进行了隐藏处理，同时在手掌内部和手指内侧镂出精确的牵引轨道（图9），在尽可能美观的基础上满足使用者日常传动抓握的需求。

（2）关节回弹系统

在义肢手指完成一次抓握动作之后需要快速回弹，恢复到最初形态，以便再次进行牵引，进行下一次抓握动作。现有的常规产品中，彈簧和皮筋这两种材料在使用过一段时间后，会因为材料疲劳而产生变形或断裂，造成功能性缺失。在经过参数化力学仿真和反复的材料实验之后，本次设计采用高弹力3D打印TPU作为替代材料。首先在指关节的重叠部分预留用于置入长方体TPU的横向腔体，其次设计出合适的TPU材料模型用于打印，最后将打印好的长方体TPU置入预留的指关节腔中，就可以顺利完成在抓握后的手指回弹动作。高弹力3D打印TPU材料的使用，使义肢的抓握能力得到了较大的提升，同时也为后期的义肢维护提供了极大的便利，延长了义肢的使用寿命。

（3）手指抓握系统

义肢使用频率最高的动作就是抓握动作，常规打印材料的摩擦性能和包裹程度并不能满足使用者的日常使用需求，因此如何防止抓握时物体脱落是一个亟待改善的问题。本次设计在手指指尖处设计了可替换式的软性吸盘结构，通过肢体压力使吸盘结构展开。同时“V”形的开口通过材料的弹性向内收缩，结合手指内侧的凹形弧线模拟真实的手部线条，以此来增加指尖的抓力，增强肢体的包裹性。同时利用吸盘结构内与指尖相连的气管控制气压，利用气压加压完成轻薄物体的拾取，解决了目前义肢不能拿取轻薄物体的难题（图11）。

2.接受腔设计

接受腔作为义肢与人体直接接触的部件，关系到使用者的舒适度和操作效率。为增加使用者与义肢的适配度以及满足使用者一体感的使用需求，我们在人体工程学的基础上分析相关数据，并根据人体手臂的结构曲线对接受腔内部的贴合度和流畅性做出仔细调试，使接受腔内部流线设计贴合人体肌肉分布，增加舒适度和适配性。接受腔的重量、厚度和透气性以及制作的性价比，都是我们设计时需要重点关注的问题。接受腔镂空结构呈流线型，可以达到透气、减轻重量、增加性价比的目的，并且可以使手肘部分在弯曲时无遮挡，使动作运行舒适自然。我们为突出一体化的打印优势，避免后期人员时间和精力的浪费，在建模时将义肢接受腔与手掌的连接部分设计成无须后期补偿螺钉的一体化转轴结构，提高了义肢的使用寿命和效率，便于后期的维护和保养（图12）。

3.衍生设计

从功能角度出发，义肢设计需考虑到满足不同类型人群对功能和外观的需求，替换式的部件可以根据个人需要来选择，所以我们设计了一系列利用插接结构把插接部件与装饰性部件、功能部件结合在一起的替换部件（图13）。其实义肢有很多功能可以在插接部件上安装或实现，如音乐播放功能、通话视频功能、健康检测功能等，其造型风格也可以随着插接部分的替换达到简洁或繁复等具有个性化展示的效果。义肢电路板的模拟造型也可以做成真正的微型运算器，这为未来义肢设计提供了更多可能性。

义肢的造型和装饰既需要表现主题性，也需要辅助功能呈现，并不是孤立存在的。因此，在功能之外对形式进行衍生，通过视觉的干预消除义肢使用者，尤其是低龄人群的心理负担是很有必要的。“参数化”成为本次拓展新形式的主要手段和方法。Grasshopper是一款基于Rhino平台运行的程序化算法生成模型的参数化设计插件，通过不同元素的输入、算法的编写、参数的调节可以生成不同结果。

本次设计实践，以《仿生人会梦见电子羊吗？》一书中的未来电子世界为概念来源，运用Grassopper中的迭代算法结合电子元器件元素进行形式演化，通过不同元素与算法的结合，最终生成了不同的数字实验作品。我们考虑到使用者对造型个性化的需求，义肢的装饰部件辅以两侧的插接结构作为可替换的形式，出现在义肢手臂里，使用者可以根据喜好进行自由搭配（图14）。装饰部件由于是插接结构，具有可替换性，所以可以进行义肢个性化定制，满足更多人的需要。

四、打印制造：开放的数据互联

对于义肢这样个性化强、结构复杂、精度要求高的定制产品，以3D打印为代表的增材制造技术无疑有着巨大的天然技术优势。最突出的优点就是无须模具和数据互联，这为使用者的定制需求贴上了高效的标签。在制造过程中，只需要将设计好的模型数据输入打印设备中并进行参数读取，打印设备就可以自动完成打印。通过互联网，还可以与世界各地的服务商完成数据传输和制作工作。本次实验性设计的制造采用了尼龙粉末选择性激光烧结工艺SLS（Selective Laser Sintering）。与其他材料相比，尼龙在材料韧性和轻量化两方面都有着天然的优势。

随着数字医疗的发展，整个产业生态正在从大规模生产转向个性化定制。3D打印和网络协同技术的发展使普通用户也能参与到医疗器械的设计过程中，通过平台就可以获取开源的定制解决方案，自由选择定制服务。这无疑为未来医疗器械制作的提质增效创造了无限的可能性。

五、启示与展望

经过本次具有实验意义的无障碍设计实践，我们获得了诸多有益启示，概括为以下四点：

第一，新方式。协同设计（Co-design）鼓励用户参与到产品的设计过程中，完成个性化的系统解决方案。无障碍设计应该充分利用互联网平台信息互通的优势，将参数化设计和数字制造技术进行整合，让消费者通过相关平台参与设计和制造产品。如此一来，产品设计服务的对象由“一批人”變为了“一个人”，使产品服务群体更加精准。

第二，新方法。运用参数化设计方法，实现基于若干个需求信息的产品的算法生成，使产品功能具有完整性、增益性。

第三，新形式。在立足功能补偿的前提下，造型追求构件单元的多样化和模块化，便于消费者选择。再者，产品造型的适切性与美感的形成可借助数字化手段，即使是非常复杂的造型，也能够较好地呈现出来。

第四，新材料。当代科学技术使物理材料飞速迭代更新，在无障碍设计中，对提升产品整体功能而言，瞄准材料前沿，选取新的材料替代传统材料尤为重要。

我们有理由相信，后数字范式着眼于从数字中启动新颖的、合成的跨学科研究过程，其有着惊人的蜕变能力，进而挑战旧的二元并列和条件，如过去和未来、器具和人体等。未来的无障碍设计，不仅仅满足于人们生理功能的补偿，更可能作为身体的强化和延伸，使人的生物功能得以增强。我们也有理由相信，有了数字技术的推动，“设计，让人性在场”的主张在设计实践中会体现得更加充分，未来无障碍设计必将迈向一个新的发展阶段。

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