Easton LaChappelle 决定打造一只功能齐全的机械手时,年仅 14 岁。LaChappelle在美国科罗拉多州的小山城曼科斯长大,他所在的八年级只有 23 个学生。生活中的百无聊赖让这位少年深深痴迷于机器人技术,很快,他的所求就超出了学校传授的知识范围。“我开始窝在卧室里,通过网络自学机器人技术,” LaChappelle 说。
为了证明自己对机器人技术的热爱,LaChappelle 决定制作一只遥控机械手。他找来了身边所有能利用的材料:钓鱼线、乐高积木、绝缘胶带、挡风玻璃刮水器的电机等等,拼凑出一个类似MacGyver机器人的东西,并花了九个月的时间不断对其进行试验,但可惜屡试屡败——“败得很惨。” 用LaChappelle自己的话说。
最终,LaChappelle原始的机械手成型了,但直到LaChappelle 16 岁生日时,他才开始着手改进这只手的设计,而这为他原本希望渺茫的未来确定了努力的方向。当时,LaChappelle买了一台廉价的激光切割木料 3D 打印机,开始夜以继日地钻研。他改进了机械手上每根手指的灵活度和对生拇指,然后继续制造了前臂、肘部和肩部,直至做出一条完整的手臂。
LaChappelle带着自己的机械手臂参加了多个科学展会,并因此而声名鹊起。拥有一只变形金刚般的手臂,并可以用它来投掷棒球和握手,这无疑是一件引人注目的事情。很快,LaChappelle便进入美国国家航空航天局(NASA) 实习。时任总统的奥巴马在白宫与他的机械手臂握了手。不久之后,LaChappelle 开始遍游世界,发表主题演讲。
突如其来的灵感之源
故事要从 2013 年讲起。对于一个小镇少年而言,媒体的追捧固然令人陶醉,但是当年却是一件不经意的小事改变了 LaChappelle 的人生。根据LaChappelle的回忆:“当时是在科罗拉多州的一个科学展会上,我看到一个小女孩在试我机械手臂的手指灵活度。我突然意识到她戴着一个假肢,那是我第一次在真人身上看到那种技术。”
LaChappelle遂开始和女孩及其父母攀谈起来,了解她的假肢是如何使用的。而他所了解到的情况,一方面令他垂头丧气,另一方面又使他深受启发。“我了解到,这个女孩的假肢竟然花了 8 万美元,而上面只有一个夹持装置,而且由于其制作耗时长达一年之久,很快就会因为不再适合而被淘汰。我当时就想,‘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,那一刻我恍然大悟。”
一个月后,LaChappelle 受邀在科罗拉多州丹佛市发表TEDx演讲。在谈到经济实用的个性化假肢前景时,LaChappelle 获得了全场观众的起立鼓掌,随后,他接到了著名励志演讲家和人生导师 Tony Robbins 的电话。LaChappelle 回忆到:“Tony对我说,‘我在心理上帮助了世界各地的很多人,但我一直希望同时也能在身体上给予他们帮助,你成功做到了这一点。’”2014 年 2 月,在 LaChappelle年满18 岁的两个月后,Robbins 提供启动资金,帮助LaChappelle成立了 Unlimited Tomorrow 公司。
Unlimited Tomorrow 的追求与挑战
创业之初,LaChappelle意识到,虽然他的机械手臂很先进,但必须继续改进创新,才能满足手臂假肢市场不断更新的需求,特别是想到那个给予LaChappelle灵感的七岁小女孩时,他的这种想法更加坚定了。
LaChappelle需要面对的第一个问题是手臂的重量问题。当时LaChappelle的机械手臂有7斤多重。一个普通儿童手臂假肢的重量平均 2.2 斤到 3.6斤,但即使是这样的重量对很多孩子来说仍然过于沉重。“我们看到过一个有点令人沮丧的统计数据,约有半数拥有手臂假肢的人其实平时是不穿戴它们的,”Unlimited Tomorrow 的业务开发副总裁 Sean Jones 说到。
此外还有时间问题。儿童因成长而更换假肢的速度几乎和他们更换鞋子的速度一样快。有些人在成年之前会用掉四、五个假肢,价格均在 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之久,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。而第三个障碍就是要攻克假肢的高昂费用。同时,还要兼顾穿戴舒适性和功能实用性的问题。Jones 解释道:“对于一些儿童来说,手臂假肢的作用主要体现在功能方面,他们想做以前无法做的事情;而对另外一些儿童来说,手臂假肢的作用却在于心理方面,他们希望自己能够更加适应这个社会。我们很早就意识到,我们需要打造一款个性化的假肢,并尽量与儿童的另一侧的健康手臂相匹配。”
颠覆儿童假肢行业
时间转眼到了 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 (约一斤),比普通的儿童手臂假肢轻巧了许多。TrueLimb 假肢可为每位用户进行个性化定制,精确到粗细、肤色和指甲,而售价仅为 8000美元,远远低于传统假肢。最令人惊讶的是,儿童在几周内就能拿到 TrueLimb,甚至无需走出家门。
那么,LaChappelle 及其团队何以能够如此迅速地颠覆假肢行业呢?答案就在于他们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 的销售方案是直接面对消费者,一套完整的服务在客户家里开始,也在客户家里完成。对于订购了假肢的用户,公司会先寄送一个 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,以便进行匹配。用户可在 450 种肤色中进行选择,然后将信息发回公司。之后,Unlimited Tomorrow 再用3D 打印出 TrueLimb 并寄送给用户,这样一来,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
TrueLimb的成功要归功于一系列技术——例如,用专有的肌肉传感技术赋予用户多种抓握功能和单手指控制能力,同时,增材制造技术也同样不可或缺。LaChappelle 表示:“自从在卧室使用那台廉价打印机以来,我一直力图用 3D 打印技术突破极限。多年来,我们尝试了各种机器,但一直未能找到既足够坚固耐用、又足够个性化以满足用户需求的机器。”
直到惠普多射流熔融彩色 3D 打印机的闪亮登场。LaChappelle 说:“我们是美国第一家收到580型号打印机的公司,我们使用这款机器的经验可能比世界上任何人都要多,它帮助我们实现了材料强度和色彩精度的完美结合。”
解决最重要的假肢接受腔问题
Unlimited Tomorrow 还面临着一大技术挑战就是假肢接受腔问题。手臂假肢最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动作的传感器,而且决定着假肢的舒适与否。
Unlimited Tomorrow 的工程师们为了设计出为用户量身定制的接受腔殚精竭虑。首席机械设计工程师 Matt Landolfa 解释道:“在以前的流程中,我们首先会对用户的残肢进行 3D 扫描,再上传到 CAD 工具中,将其与通用的接受腔模型进行结合。然后,我们会使用另一款软件将这个通用模型转变为扫描件。这是一个非常缓慢的过程,而且难以修改结果。我们经常需要返工重做,而且无法保证下一次就能成功。”
鉴于 Unlimited Tomorrow 现有和未来规划的客户量,减少测试用接受腔的数量对于扩大业务规模而言至关重要。他们需要能够帮助其更有效地制作个性化接受腔的软件。LaChappelle 对市场上是否有这种软件一直心存疑虑。直到后来,他在一次会议上遇到了西门子的一位高管。LaChappelle 回忆道:“我们很快安排了与 NX 产品工程团队的面谈。第一次见面时我非常坦白,我认为 NX 或任何其他 CAD 软件包都帮不了我们。我们所需要的东西,真的很难实现。’”
在接下来的几个月里,西门子数字化工业软件的工程师们证明了LaChappelle 最初的判断是错的。西门子的咨询顾问与 Unlimited Tomorrow 的工程团队通力合作,利用 NX Product Template Studio (PTS)软件研发出一款全新的解决方案,将自动优化和基于规则的参数化设计相结合,使 Unlimited Tomorrow团队能够更好地控制接受腔的几何体。
Landolfa表示,新的接受腔设计工作流程之所以能够大获成功,其中一个关键因素就是几何体的可结合性。“由于该解决方案全部集成于统一的系统中,如果需要调整,我们不必像以前那样重新启动整个流程。”
该系统操作十分简便,随着Unlimited Tomorrow的业务规模日益扩大,团队计划不再让工程师使用 NX 进行临床监督,而改由临床医师直接操控软件。
基于 NX 的接受腔开发流程还实现了质量的可控性和稳定性。LaChappelle表示:“这在公司上下引起了巨大的连锁反应。目前,我们正在拓展该软件的应用范围,进一步实现自动化,促进业务增长。”
NX 增材制造的增值优势
Unlimited Tomorrow 从 NX 软件中获得的优势,不仅限于其在个性化扫描到打印应用方面的能力。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Unlimited Tomorrow 的工程师而言,NX 的影响之大不言而喻,Landolfa表示: “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。在使用旧版软件时,可以看到 3D 打印中有很多小平面,但是使用 NX 时就不会出现这种情况。NX 生成的几何体非常精确,外观更加逼真。”
这一优势不仅体现在 TrueLimb 的接受腔上,还延伸到了假臂的所有其他部件上。Unlimited Tomorrow 正在将所有部件的设计转移到 NX 环境中。与此同时,他们也在探索 NX 的自动化嵌套功能。LaChappelle 对此充满期待:“我们正在迅速扩大规模。在实现目标之前,我们需要优化惠普580 的生产能力,而这正是自动嵌套功能的用武之地。”
Unlimited Tomorrow 的广阔前景
Unlimited Tomorrow 的未来将会怎样?2020 年底年届 25 岁的 LaChappelle 有着雄心勃勃的目标。他说:“七年前,当我独自在卧室里制作第一个机器手臂时,如果有人对我说,我会取得今天的成就,我是断然不会相信的。但是今天,在经历了这一切之后,我更在意我们将来能取得何种成就。有一个问题始终萦绕于我们心头,那就是‘如何去建立一家能够改变全球 4000 万截肢患者生活的企业?’”
“这是我们的目标。这也意味着我们必须大幅提高运营规模。在追求这一目标的征途上, 3D 打印和增材制造软件无疑是我们最有力的帮手。