突破性機械義肢

梁東嵐　張鉞炯　吳嘉汶

根據數據顯示，僅在美國每年就約有1000名初生嬰兒天生缺少手部或有不同程度的手部不健全。雖然美國是仿生義肢的技術先驅，但一只仿生義肢手的價錢仍要10萬美元，每3年便要更換零件和維修，用戶需要負擔高昂的費用。因后天因素失去手部的也為數不少，在歐美等富庶國家，等待接受廉價3D打印機械手的人士也數以千計。但目前3D打印機械手的實際功能仍有不足，其他種類的產品亦有很大的改善空間。由此我們受到啟發，希望研發出低成本、不用電能和操作簡單的多功能機械式義肢手。我們期望研發的多功能機械式義肢手可以為天生缺少或后天失去上肢的，以及手指或手腕乏力的人提供服務。

資料搜集

立體打印義肢

通過互聯網，我們找到很多利用3D打印制作的機械手分享程序，香港已有一些學校引入作為教材，但我們認為它仍有很大改善空間。

◇實際功能太少，而且夾持力度不足。

◇作品只針對缺少手指的人士設計，使用者必須使用手腕關節操控，忽略了沒有手腕關節的人士需要。

◇需要解決電力和3D打印機等資源問題，對不發達地區有限制。

神經肌電波控制機械手

在肌電游戲工作坊，我們學習如何利用神經肌電波控制機械臂，例如當手臂用力便會產生一定幅度的肌電訊號，當手臂放松時，肌電訊號便會減弱。通過使用肌肉收縮時所產生的肌電，配合程序設計，如Arduino編程，我們可以利用它操控馬達，令機械手產生活動功能，缺點是要用電能推動，不大方便。

腦電波控制機械手

世界上很多大學都有研發由腦部控制的機械手，能為有需要人士或中風病人帶來更理想和更快捷的康復過程，但由于造價昂貴，因此只適合富裕國家，對發展中和戰亂國家并不適用，其缺點與神經肌電波控制機械手相似。

發明介紹

我們的作品以實用為主，日常生活所需的動作，例如寫字、拾物和夾持餐具等均能執行，遠勝3D打印機械手的功能，甚至可媲美售價10萬美元的仿生義肢，而成本還不到人民幣300元。作品的設計概念主要有以下幾點。

以手臂關節作動力

作品以手臂關節開合動作控制手指動作（圖1），無須使用電能，因而機械臂重量減少，并可免除因缺電或充電帶來的煩惱。鉸鏈位置在手臂側，動作更靈活。

三爪式夾持方法

我們用拾物器改裝成模型手指，因為它的夾持力度大。我們曾嘗試用4組拾物器裝上模型手指作測試，但是手臂重量過重并且需要較大的拉動幅度，于是我們把設計由4組改為2組，但在測試夾持較細小對象，例如鉛筆時會出現不穩現象，因此我們參考夾娃娃機，修改為三爪式設計夾持物品，動作更穩定。作品以大拇指、食指和中指為1組，采用三爪式設計，令夾持較細微的物品也能很穩定（圖2）。無名指和小指為另1組，可同時開合，以分擔握持重物時大拇指、食指和中指的負荷。

動力傳動

首版和第2版作品均以鋼線傳遞動力，但鋼線會隨使用時間而損耗，于是我們參考遙控模型舵機利用推桿原理傳遞動力的方法，采用推桿式設計（圖3），優點是損耗低和虛位較少。

力臂設計

參考遙控模型舵機的設計，舵盤以不同孔距調節力臂，從而產生不同的力矩（圖4）。

動力緩沖

手臂關節開合動作過大可能會令推桿拉幅大于所需而損壞，于是我們以拉力彈簧把手臂關節動力傳動至力臂，當手臂動作過大，彈簧會伸延作緩沖（圖5） 。

測試及評估

我們有一位同學由于左腦生有水瘤，以致無法控制右手手指及手腕，因此他不適合使用3D打印的義肢。至于神經肌電波控制的機械手和仿生義肢手，因為要用神經肌作感應，而那位同學因左腦的水瘤影響右手手指及手腕的神經線，神經肌電波也不適合他使用。適合他的辦法是由右手睜關節動作做動力，因此他非常適合作為我們測試的對象（圖6和圖7）。同學試用了我們的作品，這是他自出生以來第1次使用右手拿起水瓶做飲水的動作。結果令我們非常滿意，給予我們極大的鼓舞，令我們有信心繼續改良我們的作品。

總結

作品實用性極高，日常生活所需的動作，例如握筆、拾物和夾持餐具均能應對，可媲美售價10萬美元的仿生義肢，功能遠勝3D打印機械手、神經肌電波控制機械手及其他義肢手，而成本僅需人民幣300元。作品由有需要的同學試用，效果理想，亦由不同專業人士提供意見，是市場上可剛柔兼備而用途最多的義肢手。綜合來說，作品的優點如下。

◇造價平。

◇無須用電。

◇功能多及實用性高。

◇舒適。利用醫療用關節型上肢支具改裝，合乎人體工學。

◇對缺少手指、手掌、手腕關節或上肢的人皆適用。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

考慮義肢使用的便利性及解決貧窮地區缺電和操作能力的限制，從人體手臂運動與手掌抓握之間的關系考慮運用純機械學原理，且運用日常生活中的一些工具進行改進，實現了創新目的。未來可加強義肢力學分析，考慮義肢未來使用的可靠性與穩定性。加強商業化設計，早日改善殘障人士福利。