基于選擇性激光燒結尼龍打印技術的仿生頸托設計

摘要：3D打印作為一種增材制造技術，自誕生以來就一直吸引著大眾的目光，其特殊的技術優勢為工業生產和藝術設計帶來了更多個性化的可能和新的活力。本文基于對傳統頸托的辯證分析，探討頸托的仿生設計與3D打印技術結合的優勢和可行性，認為尼龍材質與仿生結構（骨松質）的結合是在重量與強度上尋求到了平衡，使頸托不再是佩戴者的承重負擔。同時，本文也試圖從對傳統頸托的辯證分析出發，結合選擇性激光燒結尼龍打印技術，完成一套合理的仿生頸托設計方案。

關鍵詞：選擇性激光燒結技術頸托尼龍3D打印

隨著社會壓力的增加和生活方式的轉變，現代人的頸椎負擔越來越重，病變率也隨之提升，且逐漸趨于年輕化。無論是對頸椎病的矯正還是手術治療后的康復，都需要頸托這一醫療輔助器械，而且其需求量越來越多，要求也越來越高。

一、傳統頸托的優劣勢及設計原理

市面上的傳統頸托花樣繁多，價格區間較大，既有制作簡單廉價的，也有功能多樣、價格昂貴的。總體來說，市面上的傳統頸托有三類，分別是氣囊式頸托、硬頸托和牽引式頸托，分析和探究這三類傳統頸托的優劣勢和設計原理，將有利于在新型頸托的設計中取長補短，設計出更有利于人類身體健康和更實用的頸托。

（一）傳統頸托的優缺點

一件產品被設計出來并廣泛流通，必定有其實用性和優勢。但傳統頸托都是工業生產的標準件，往往只分為大、中、小三種型號，難以精準符合所有人的使用需求，所以也存在許多缺點，例如肥胖患者由于頸部脂肪堆積就難以適應標準產品。人體的差異很大，沒有一種模板具有普適性，但一件不合適的頸托帶給使用者的并不是良好的使用或治療效果，而是生理上的負擔。比如，透氣性差會導致使用者皮膚呼吸不暢、接觸面無法貼合會導致使用者皮膚破損甚至壓瘡、形態臃腫會影響使用者正常著裝以及外觀形象，這些都是需要解決的問題。就以上列舉的三類傳統頸托而言，也都存在一些尚待解決的缺點和有待改良的空間。

1.氣囊式頸托

氣囊式頸托的優點在于價格不高、原理簡單、操作方便，不用時可收縮折疊，使用時充氣即可，因此便攜輕巧。而輕便的特點決定了氣囊式頸托本身不會給肩部增加太多額外的負擔。同時，氣體充盈的氣囊彈性十足、宜于佩戴且貼合度高，使用時更加舒適。

雖有一定優點，但氣囊式頸托的不足之處也很明顯：首先，這種頸托必須完全環繞并包裹患者的頸部才能起到支撐頸部的作用，因此透氣性差，冬季尚可忍受，但夏季則完全會成為一種累贅，甚至可能會使長期佩戴者的頸部皮膚出現嚴重的不良反應。其次，氣囊式頸托的穩定性較差，相對不能很好地固定頸部，以至于難以滿足癥狀較重的頸椎病患者的需求， 會影響患者頸部的矯正效果。

2.硬頸托

硬頸托是一種內部使用堅固的支撐結構， 外部包裹柔性面料的頸托，通常分為前后兩片， 使用時夾住患者的脖頸部位并以扎帶固定。硬頸托作為一種常見的頸椎病醫療器具，使用歷史較長、價格合適，目前仍在廣泛使用。

此種頸托因用硬性塑料制作，所以約束力強，支撐強度高，使佩戴者無法隨意扭動頸部， 從而較容易達到預期的矯正效果。但硬性塑料缺乏氣囊式頸托的柔軟特性，因此存在舒適性偏弱、與人體曲線貼合度差以及靈活度不高等缺點，再加上規格有限，便不能滿足多數患者的需求。

3.牽引式頸托

牽引式頸托可以通過旋鈕調節其高度、角度，同時可以利用局部氣囊調整松緊度，屬于價格較高的一類。牽引式頸托綜合了以往各種傳統頸托的優勢功能，并在此基礎上增加了牽引機能。首先，此類頸托可以實現對患者頸部的有效固定，合理的承托結構可以有效地將患者的頭部重量直接轉嫁給肩部承受，以此減輕病變頸部的壓力。其次，其堅固的結構內部設置氣囊，能夠與佩戴者的頸部四周及下頜接觸， 做到與人體高度貼合，以增加舒適度。再次，該頸托也可以通過調節旋鈕改變頸托的承托角度與高度，以產生足夠的牽引力，鍛煉頸部肌肉群，促進頸椎患者的恢復。然而，即便牽引式頸托綜合了許多傳統頸托的功能，但由于需要容納機械部件的空間，因此體積大，比較笨重，具有攜帶不便、佩戴臃腫等弊端。此外，目前市面上的大多數牽引式頸托只偏重功能的優化，而忽視了產品外觀設計。

綜上所述，以追求實用性和經濟性為基礎，對頸托功能的優化一直以來都是頸托設計者努力探索的方向。至于對產品形式感的把握與斟酌，從始至終未被列為首要考慮因素，而這直接導致現有的很多傳統頸托都難以滿足人們的審美需求。隨著我國頸椎病發病人群的年輕化， 佩戴頸托予以矯正的方案也越來越受到關注。頸托的地位以及所扮演的角色或將如同眼鏡一樣，在人們的日常生活中起到矯正與裝飾的雙重作用。由此看來，在設計頸托時，與其偏執于功能的優化方案，不如拓展思路，在盡可能優化其功能的基礎和前提下，積極美化頸托形式， 將實用性、經濟性與藝術性充分結合。

（二）傳統頸托的設計原理

傳統頸托在對造型、功能、材質等各要素進行選擇時，都離不開對一個基本問題的關注，那就是如何固定患者的頸椎并盡量長時間使其維持正確的姿勢，在此基礎上才可以進一步考慮頸托的舒適性、經濟性、美觀性等附加屬性， 這就是傳統頸托的基本設計思路。

既然關于頸托設計要解決的主要問題已經十分明確，那么針對這些問題所給出的解決方案即成為相對來說更為合理的設計原理。然而， 通常一個具體問題的解決方案并不是唯一的， 同理，如何設計頸托才能更好地固定頸椎也有不一樣的思路。筆者以下主要介紹前文中提到的三類傳統頸托的設計原理：氣囊式頸托利用充氣原理，當氣體充滿具有極高韌性的材料時可以提供足夠的支撐力量，同時又具備相當的彈性（彈性的大小視選用的氣囊材料而異）。硬頸托從根本上來講是依賴于材料本身及其結構的良好支撐性能，簡單且容易加工制作。機械式頸托的設計原理則稍微復雜，首先以堅固的塑料外殼作為整體的支撐結構，再在內部添加用以調節各部分間角度、間隙等參數的齒輪結構，同時在貼近人體頸部處添加局部的小型氣囊，以達到貼合度、靈活性與穩固性的統一。不僅如此，部分機械式頸托還可以調節形態，方便患者躺臥。

二、仿生頸托設計的理論、技術依據與材料選擇

仿生設計作為一種獨具優勢的設計方法以及造型美觀的設計作品，一直以來深受產品設計者和大眾的關注，但往往由于所要模仿、學習的生物原型本身即是極為復雜的，因此也隨之出現了一些難以解決的問題。如果用傳統制造工藝來實現仿生設計，要么將仿生對象抽象提煉，但這樣難以制造出適合不同人群的產品；要么花費大量時間制作模具胚子，但這樣不利于成本的降低。對此，筆者認為3D打印技術正好可以提供解決方案。選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，以下簡稱\"SLS\"）技術與尼龍粉末材料遂成為筆者與設計組成員制作新式頸托的首選搭配。

（一）方法論——仿生設計簡述

仿生設計古已有之，并且被廣泛使用，如人們模仿魚類的肺泡原理設計出了潛水艇、模仿鋸齒形草葉設計出了鋸子、模仿鴨子等動物的腳的形態設計出了游泳蹼等。如今，工業設計和生產中經常采用仿生設計的方式，且切入的角度也各有不同，單以內容為分類依據，就有功能仿生設計、形態仿生設計、結構仿生設計、肌理仿生設計、色彩仿生設計、意象仿生設計這六大類。功能仿生設計著眼于仿生生物特有的功能進行設計，如模仿蝙蝠以聲波定位發明的雷達。形態仿生設計關注仿生對象的整體外形，如模仿鳥類翅膀設計的飛機。結構仿生設計在發現生物內在結構上具有的天然優勢，比如建筑中薄殼結構的設計就是對蛋殼的模仿。肌理仿生設計注重觀察生物表面的特殊肌理，如模仿鯊魚體表皮膚的肌理而設計的鯊魚皮泳衣，會使游泳者的游泳速度得到明顯提升。色彩仿生設計最經典的案例就是軍隊的迷彩服。意象仿生設計致力于提煉對象的抽象特質，如神態、象征寓意等。

仿生設計的類型不外乎以上六種，而其具體的設計流程則有兩種截然相反的思路。第一種相反，即先從具體的某一種生物入手，對其進行觀察分析，并提煉出有價值的信息，再以此為出發點尋找可應用的產品種類，最后融合并生成具體設計方案。筆者認為，這兩種設計思路各有智慧和優勢，前者針對性強，可以精準地解決設計問題，而后者則能夠衍生出豐富的、多元化的設計方案。而在實際操作中，也可將兩者結合，先利用第二種思路形成龐大的信息庫，再運用第一種思路完成具體設計方案。

（二）成型技術——各類3D打印技術

目前，工業生產中應用最多的3D打印成型技術主要包括：熔融沉積（Fused Deposition Modeling，以下簡稱\"FDM\"）技術、立體光固化（Stereolithography Appearance，以下簡稱\"SLA\"）技術、SLS技術等。這些成型技術由不同公司開發，具體成型原理各不相同，同時也各有對應的優劣勢。

FDM技術在個人用戶中使用廣泛，許多廉價的桌面級3D打印機就是基于這種技術工作的。較為流行的3D打印筆，實際上就是微縮版的FDM技術打印機器。FDM打印機是通過加熱噴嘴，將工廠加工好的熱熔型線狀材料融化， 再以相當的壓力擠壓融化狀態的材料，按照設定的數據進行打印，從下至上一層一層地將對象堆積成型。

SLA技術屬于\"液態樹脂光固化成型\"的一類3D打印技術，主要利用紫外激光在盛滿液態樹脂的容器中通過\"振鏡\"對樹脂進行照射，以促進樹脂按照模型給定的數據快速固態化，達到設計者的目的。SLA打印的物體可以很精細， 能夠用于打印薄壁或者精度要求高的零部件， 但樹脂材料本身的強度并不高，因此易變形和損壞。

SLS技術最先由美國得克薩斯大學奧斯汀分校的C.R，德查德（C.R. Dechard）于1989年研發，筆者與設計組成員在設計新型頸托時主要采用這種技術。SLS打印機使用的材料是經過處理的粉末材料，包括金屬粉末、陶瓷粉末、高分子材料粉末等。使用SLS技術在打印產品時，首先機器缸體內的鋪粉輥會鋪上一層粉末材料，其次由高強度二氧化碳激光器根據模型數據進行有選擇的掃描燒結，最后得到成品。在整個打印過程中，機器缸體需要密閉并一直保持恒定的打印溫度，如此才能保證粉末燒結順利。SLS技術具有打印速度快、可使用的材料廣泛、無須打印支撐結構、制成品力學性能好等優勢，而這些優勢都有利于制造便捷、適用的新式頸托。其缺點在于會使打印件表面粗糙、設備維護成本高與加工成本較高等。但恰當應用該技術，并盡量利用其優勢、規避其劣勢就是設計師需要具體考慮的問題了。

（三）材料——聚合物

3D打印配套的材料種類廣泛，從金屬粉末到陶瓷石膏粉末再到高分子材料應有盡有，設計者可以結合自身需求以及設計特點篩選合適的材料。金屬材料主要有不銹鋼、鈦合金、鎂鋁合金以及金、銀等，適用于打印機器零件、首飾、人造骨骼關節等。金屬材料雖有性能優異、觀賞性高的優勢，但重量大，與皮膚長久接觸會導致不適，所以不宜選作頸托制作的主要材料。陶瓷石膏等材料脆性太高，用于制作工藝品尚可，但用于制作頸托則顯然不適合。高分子材料種類繁多、性能強大（比如彈性好、輕盈、親膚等），因此從中可能尋找到打造頸托的最佳材料。高分子材料包括但不限于工程塑料（Acrylonitrile Butadiene Styrene，以下簡稱\"ABS\"）、彈性塑料（Elasto Plastic，以下簡稱\"EP\"）、聚碳酸酯（Polychloroprene，以下簡稱\"PC\"）、尼龍（Nylon）。

ABS材料是目前工業生產中應用最廣泛且產量最大的聚合物，無毒無味、價格便宜、強度較好，但用于3D打印時精度控制不高，加熱后易產生翹曲變形，并非制作頸托的最佳材料。

EP材料堅固不易損壞，并擁有優異的彈力，可使用粉末燒結類技術打印穿戴物品，比如打印運動鞋底就可以利用EP材料。但EP材料打印成型后表面粗糙且不能在保證纖巧輕盈的同時獲得足夠的剛度以支撐物體，因此不是制作頸托的首選材料。

PC材料作為熱塑性材料，其翹曲度低，強度咼，具有一定的柔韌性，是一種良好的工程材料，如建筑中使用的陽光板或醫療注射器的主體都是使用PC材料。PC材料一般需要結合 FDM這一類絲材擠出成型技術，擠出溫度要求咼。總體看來，PC材料各方面性能均較理想， 但受限于打印工藝，在制造有復雜穿插關系的立體造型方面，不如尼龍與SLS技術結合方便。山

SLS技術所能夠選擇的材料較為廣泛，而筆者與設計組成員設計的新型頸托所選用的則是高分子材料中最常選用的尼龍材料，又名聚酰胺纖維。尼龍材料的力學性能優異，甚至有一定彈性，許多優質的復合型材料就是以尼龍為主要材料，再在尼龍粉末中加入銅（Cuprum，簡稱\"Cu\"）、碳纖維等原料，按照科學的配比可以得到性能更加優異的材料。除此之外，尼龍重量適宜，因此作為頸托的主要材料非常合適。用尼龍材料打印出來的產品粗坯還能進行打磨、上色，從而美化產品外觀。此外，使用SLS 成型技術打印產品，還可以在前一缸剩下的粉末中混入一定比例的新粉進行重復利用，從而降低成本。

三、選擇性激光燒結尼龍仿生頸托設計實驗

對現有傳統頸托存在問題的總結以及對新型頸托設計手法、制造工藝的選擇構成了筆者與設計組成員最終的設計實驗方案，為具體操作提供了依據。因此，下文將結合筆者的具體實踐，詳細展示仿生設計的方法論如何適用于新型頸托設計，以及SLS尼龍打印技術如何應用于仿生頸托設計。由前文分析總結出，傳統頸托存在透氣性差、人體貼合度低、結構有待優化、功能單一、造型臃腫等方面的問題和缺點。筆者介紹的新型頸托依賴新工藝、適宜的材料以及仿生設計嘗試，試圖從新的角度入手優化完善頸托設計。

此次頸托設計實驗使用SLS技術，材料選擇性能較好的尼龍，而仿生對象是生物的骨骼內部結構。

仿生原型的選定是設計構思的出發點，關乎對整個設計實驗進行方向的把握。因此，針對參照對象的思考不能僅僅停留在表面，既要關注其內在結構與頸托的適配性，又要關注其作為造型原型的可發展性。自然界許多動物的身體都依靠骨骼來活動，而骨骼作為軀體的支撐，又起到克服地球引力的作用。經過漫長的演化，骨骼變得堅固又輕盈，可以承受自重以及運動導致的復雜多變的力的作用，而這些都要歸功于骨骼特殊的物理結構。骨骼由骨松質和骨密質組成，骨密質形成外部表面致密的“殼體”，骨松質則承擔著內部支撐結構的角色，以傳遞分散骨骼承受的力，其組成單元是骨小梁，整體形態類似海綿，多孔疏松。骨小梁根據骨骼受力情況自行生成序列，最大限度地適應受力方向，以最小的質量、最優的結構承受力的作用。骨松質的結構具有強度大、質量小、多孔透氣等特點，正適合解決頸托設計中結構與透氣方面的問題。

材料和加工工藝的選擇直接決定設計的可實施性。骨松質結構在一定程度上可以理解為三維立體的不規則網格形態，如果使用 FDM 或 SLA 等技術打印此結構，會顯得非常煩瑣且效果差，而采用 SLS 技術打印可直接由粉末自身提供支撐。除此之外，SLS 技術不會由于層紋的存在導致其力學性能的衰減。結構的優化程度除取決于結構形態外，還取決于材料的選用。尼龍是典型的具備良好力學性能的高分子材料，不僅強度大、質量小、與肌膚接觸時不發生排斥，同時還可通過添加其他元素進行有方向性的性能改良，是用于制作新型頸托的良好材料。此次頸托設計用常規的尼龍粉末打印便足夠了，因此無須在尼龍粉末中額外添加其他成分以改進其性能。

此新型頸托設計共經歷了三個主要階段。在第一階段，頸托以正常體型的女性模特的三維模型為參照樣本，按照其頸部曲線創建頸托的基本構架，并以此基礎形態為依據，進一步利用骨松質的形態結構特征進行建模。為了獲得更好的約束力，設計組在設計時將正前方的結構延伸至人體胸骨柄處，并在受力結構的表面添加葉片狀的裝飾物，以期提升頸托的形式美感。

在第一階段結束后的模型適配階段，設計組發現此次所設計的頸托前部延伸過長，實際只需要到達鎖骨即可。而且，第一階段的頸托造型精致度并不理想，體量過大導致冗余程度高。因此，在第二階段，頸托尺寸被調小，結構銜接也更加立體化。經過此輪修改，打印的尼龍材料樣品經佩戴測試，正常體型的女生或頸部纖細的男生正好可以佩戴，且支撐牢固，頭部無法偏轉晃動，而且相較于市面上的傳統頸托來說體形更加小巧輕便。

第三階段是在第二階段的基礎上進一步優化而來。首先，我們簡化了第二階段頸托的結構，并在兩側增加部分葉片狀裝飾物，裝飾物貼合下層結構，呈包圍式，以提升頸托的整體形式美感。其次，在頸托內部接近皮膚的空間，左右各增加一只熱敷囊，在固定頸部的同時， 利用適宜的溫度緩解頸部肌肉的不適感。熱敷囊擬采用柔軟的可貼合人體頸部曲線的材料制作，并將其設置為可拆卸狀態，不需要時可以拿出以減輕頸托重量和減少接觸面積（拿出時頸托與佩戴者頸部的接觸面就僅有上下兩圈線型區域），以增加透氣性。

最終敲定方案的頸托可以采用不同質感與色彩的噴涂工藝進行裝飾，以滿足不同定制用戶的個性需求。

四、結語

新技術的誕生往往能夠為工業設計帶來革命性的變化，許多積累已久的問題也能夠獲得解決的新思路，從而改變和影響人們生活的方方面面。本文基于SLS技術對仿生頸托的構想和實驗性設計，只是一種探索，希望能夠在利用新技術和適合的理論方法的基礎上，為頸托設計提供一些新的思路。同時，筆者也希望隨著技術的不斷進步，能夠做出更加完善的新型頸托的設計方案和現有頸托存在問題的解決方案，使得實用、經濟、藝術三者結合的設計產品被不斷催生出來，為人們的生活提供便利。

本文是江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究基金項目\"高校空間課程本土化改革模式研究\"（項目編號：2018SJA0365），南京藝術學院2021年教學改革研究重點課題（項目編號：2021JYZD13）階段性成果。

注釋：

[1]吳懷宇.3D打印：三維智能數字化創造[M].北京：電子工業出版社，2017：55-58.

參考文獻：

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