一呼一吸轻松控制儿童义手
虚拟原型设计为儿童带来直观装置
只需吸一口气，义手就合上了。再呼一口气，手指便张开了。这个动作是立即发生的。“这种感觉太神奇了，”印度班加罗尔一个有上肢差异的孩子对牛津大学的原型制作团队说道。
这款可穿戴的上肢假肢就是 Airbender，它专为青少年使用者设计，集实惠性、舒适性和直观性于一体。该假肢配备有独特的涡轮机和变速箱，可优化扭矩和每分钟转数 (RPM)。
作为该项目的负责人，牛津大学工程科学副教授 Jeroen Bergmann 表示，“以身体为动力的假肢只考虑到了肌肉骨骼系统。当患者和临床医生表示需要易于使用的新型装置（特别是面向儿童的装置）之后，我便产生了由呼吸驱动系统的想法。”
Airbender 的可穿戴上肢假肢。（图片所有权：牛津大学）
目前，即使是最常见的义手，也依赖于 200 多年来一直没有太大变化的技术。这些义手采用电缆和线束系统，它们需要依靠肌肉的力量来操控。
为了开发一种以呼吸为动力的系统，Bergmann 于 2019 年 2 月招募了博士后生物医学工程研究员 Vikranth Nagaraja 博士参与到该项目中。一年后，博士后工程师 Jhonatan Da Ponte Lopes 博士也加入了他们的行列。
为了让设计的装置切实可用，Bergmann 还与非营利组织 Mobility India、班加罗尔的圣约翰医学院、英国的慈善机构 LimbBo 基金会以及 3D LifePrints 建立了合作关系。该团队得到了大学系车间提供的宝贵制造支持，特别是来自 Peter Walters 博士的 3D 打印支持。
Bergmann 表示，“临床医生和患者给予了我们极大的帮助。现在，我们正在优化手部功能和可制造性，并将挖掘新的融资机会，从而将我们的工作推进到临床测试阶段。”
告别传统假肢
目前，全球有 4,000 万人存在肢体差异。肢体差异是一个概括性术语，用于说明身体部位先天缺损或丧失（如由外伤所致）。上肢差异可能轻到缺了一根手指，也可能重到少了两只手臂。Nagaraja 提到，据已发表的文献估计，只有约 3% 至 5% 的肢体差异患者接受了假肢治疗。
Da Ponte Lopes 指出，“有充分的证据表明，相比那些根本没有安装假肢的肢体缺失儿童，安装假肢的此类儿童享有更高的发育水平。”
“有充分的证据表明，相比那些根本没有安装假肢的肢体缺失儿童，安装假肢的此类儿童享有更高的发育水平。”
1818 年，德国牙医 Peter Baliff 推出了第一个上肢系统，它让佩戴者可通过躯干和肩部的运动来弯曲义手的手指。在一战和二战的推动下，用于假肢的接受腔和工具附件等技术得到了发展。
到 20 世纪 40 年代末，一种独特的电缆机构开始逐渐取代线束。这种电缆最初由爱尔兰发明家 Ernest Monnington Bowden 于 1898 年为自行车申请的专利。它里面有一根细金属线，包裹在一个较大的外护套管中。佩戴者通过肩部屈曲和伸展运动，拉动和释放连接到 Bowden 电缆的抓手，以相应的张力控制义手或钩子的开合。
Nagaraja 表示，“但据报道，这些系统的效率非常低。佩戴者最终需要施加近乎两倍的力才能握牢。这也太累人了。”
此外，我们还发现，与非残疾儿童相比，先天性上肢缺陷儿童的有缺陷手臂和完整手臂的力量都较弱。这些儿童往往缺乏足够的肌肉力量，无法灵活自如地操控这些装置。
在炎热和潮湿的环境下，使用基于线束的系统困难重重。对儿童而言，他们的身体不断发育成长，因此，每年还必须对其装置进行两到三次的重新调整，以确保适应性，但保险公司通常不会承担这些费用。假肢本身的成本可能就高达 3,600 到 1.2 万美元甚至更多。对资源匮乏的群体来说，这样高昂的费用是难以负担的，因为他们往往要自付医疗保健费用。
在权衡替代方案时，Bergmann 想到，人类凭直觉使用呼吸来协调和控制说话、唱歌，甚至演奏木管和铜管乐器等功能。于是，他试着利用呼吸为辅助技术提供动力和引导。
构建原型
Bergmann 设计的首个呼吸动力装置帮助他提出了关键问题，但不可否认的是，它并不像一个真正的假肢。该装置包含位于一个框架中的缆索和滑轮系统和四根 3D 打印手指，重达半公斤（略超过 1 磅）。这些手指花了将近一分钟才完全合上。
若从进入装置的空气获得动力，需要用到涡轮机。但我们呼吸的空气湿度较高，再加上存在食物和其他残留物，这些因素可能很容易导致涡轮机叶片损坏。Bergmann 意识到，这对特斯拉涡轮机来说都不是问题。
1913 年，著名发明家尼古拉·特斯拉发明了无叶片涡轮机并取得了专利。该涡轮机使用安装在轴上的圆盘。其原理是流体在稍微分开的圆盘之间流动，使得转子发生旋转。然而，当特斯拉扩大涡轮机规模时，高速旋转对当时的圆盘材料造成了损坏，从而降低了整体机械效率。
呼吸动力假肢的组件。（图片所有权：牛津大学）
虽然特斯拉的发明无法取代活塞式内燃机，但是，他的这个概念适合于 Airbender 项目。Da Ponte Lopes 解释道，“从本质上讲，它具有双向性，因此，你可以用两根管子代替两个涡轮机实现不同的运动，或者引入复杂的机构来反转开合。”他补充道，这些组件具有简单的几何形状，这使得它们能够进行 3D 打印，从而帮助降低成本。
他找到了大量关于特斯拉涡轮机圆盘间气流行为（包括产生的扭矩）的科学文献。在这一系列文献中，有一篇论文提出了一组常微分方程。Da Ponte Lopes 用 MATLAB® 重现了这些结果。
虚拟原型的建模与仿真
使用 MATLAB® 和 Simulink® 进行虚拟原型设计和建模，对于迭代改进假肢涡轮机的潜在解决方案至关重要。Bergmann 的团队使用描述转子内部流体行为的常微分方程组建立了一个虚拟原型。
Da Ponte Lopes 表示，“各种库是 MATLAB 的一大优势。对于微分方程，你不必花时间思考代码是否正确。另一个优势则是可视化。它让我可以非常轻松地修改代码。”
“MATLAB 和 Simulink 具有完善的函数和包，让你可以快速、高质量地设计和测试模型。”
Bergmann 表示认同。他说道，“MATLAB 和 Simulink 具有完善的函数和包，让你可以快速、高质量地设计和测试模型。”
此外，新冠疫情迫使工程师们在不同的地方远程工作。在很长一段时间里，他们都在埋头研究虚拟原型设计和计算流体动力学。最后，随着防疫限制的放宽，Da Ponte Lopes 回到校园搭建了一个测试平台，用于表征和优化特斯拉涡轮机系统。
他说道，“即使你有一百万英镑可花，也买不到这样的平台。我们需要从头开始搭建。”控制测试平台中的气流量和 RPM 至关重要。尽管该团队拥有一个专门设计的质量流量控制器来提供精确的空气量，但控制 RPM 仍然是一项挑战。
特斯拉涡轮机系统的设计：a) 顶层部件 b) 转子 c) 流体区域。（图片所有权：牛津大学）
无刷直流电机可以像制动器或发电机一样工作，具体取决于涡轮机的工作方式，类似于一级方程式赛车中的制动器。但是，Da Ponte Lopes 希望在购买之前确保这种昂贵的设备能够正常工作，因此，他首先使用 Simulink 对电机和控制设置进行了建模。
优化原型
Airbender 的团队希望确保使用者（尤其是儿童）可以通过自然呼吸的变化轻松操控他们的假肢设备，而不需要加大加重呼吸力度。为了实现这一目标，他们将特斯拉涡轮机连接到变速箱，以将每次呼吸产生的气流转化为具有高扭矩的低速气流。他们选择了一种带有蜗杆的变速箱。该蜗杆可在通过摩擦力保持锁住的同时改变方向。这个变速箱可用于驱动手指的动作。
“我们的设计必须高效且最优，才能确保从儿童的呼吸中获得最大动力。”
呼吸动力假肢的演示。（视频所有权：牛津大学）
Nagaraja 回忆道，“我们的设计必须高效且最优，才能确保从儿童的呼吸中获得最大动力。任何摩擦力或损失都会妨碍我们实现所需的功能。这个问题一直困扰着我们。”
在测试平台于 2021 年 7 月准备就绪后，工程师们发现各组件可以单独工作，但是作为一个整体运行时就会出现问题。例如，手指卡住，变速箱不转，以及其他由于对准不当引起的问题。
Nagaraja 说道，“经过多次迭代和微调，我们最终取得了突破。有一次，我直接向电机吹气，手指很快就合上了。我们就让几个孩子试了试，他们同样也能控制装置。”详情请参阅国际同行评审期刊《Prosthesis》于 2022 年 7 月 29 日发布的 Airbender 系统概述一文。
减轻负担
据非营利组织 Mobility India 称，印度每年新增 4 万多上肢截肢病例。电灼伤、工业事故或外伤是导致这些病例的主要原因。在印度，截肢者所能选择的装置通常要么无效，要么过于昂贵。
如果有上肢差异的儿童不接受假肢治疗，则他们的躯干会承受不对称的负荷，这可能会影响步态，造成过度使用损伤，并导致脊柱侧弯。生长发育受阻会影响孩子的生活质量，随之而来的问题也会波及更大的群体。
“我们希望为那些以前没有任何装置可用的人带来解决方案。除了提供相应功能以外，这些装置还能让孩子们与外部世界互动，并充分发挥他们的潜力。”
自 1994 年成立以来，Mobility India 一直在基层工作，致力于为残障人士和其他弱势群体提供服务。班加罗尔 Mobility India 康复、研究和培训中心的学术主任兼负责人 Ritu Ghosh 说道，“当地上肢辅助产品的类型和尺寸依然有限，只有一种类型和两种尺寸可供选择。”
她说道，“在谈到 Airbender 项目的概念时，我们认为，这可以作为在印度提供的另一种设计选择。这项技术简单易用，不仅适用于城市居民，而且也适用于农村居民。”
现在，终端设备看起来更像是一只义手。它将一个小型手腕适配器安装在临床医生为患者制作的接受腔上，形成了一个天然的接口。据工程团队预计，其制造成本与传统的身体动力装置不相上下。
2022 年，该项目团队与 Mobility India 进行了协作，在班加罗尔招募了 15 名有上肢差异的儿童和青少年，对最新的 Airbender 原型展开了临床可用性研究。
Nagaraja 说道，“这是一种以使用者为中心的协作方式，我们让患者、临床团队和父母都参与了进来。我们收到了良好的反馈。有些儿童富有冒险精神，喜欢玩弄这个装置。有几名青少年似乎不好意思在公共场合对着设备呼气，但他们表示自己很喜欢这项技术。”
随后，该团队发表了另一篇同行评审期刊文章，详细介绍了用户测试。他们计划在进入临床试验之前进行进一步的产品开发。根据反馈，他们打算对呼吸动力装置的重量、声音和外观进行改进，然后再将其推向市场。
临床可用性研究结果。（图片所有权：牛津大学）
Bergmann 说道，“我们希望为那些以前没有任何装置可用的人带来解决方案。除了提供相应功能以外，这些装置还能让孩子们与外部世界互动，并充分发挥他们的潜力。”
