基于选择性激光烧结尼龙打印技术的仿生颈托设计
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作者:姚翔翔 姜峰
摘要：3D打印作为一种增材制造技术，自诞生以来就一直吸引着大众的目光，其特殊的技术优势为工业生产和艺术设计带来了更多个性化的可能和新的活力。本文基于对传统颈托的辩证分析，探讨颈托的仿生设计与3D打印技术结合的优势和可行性，认为尼龙材质与仿生结构（骨松质）的结合是在重量与强度上寻求到了平衡，使颈托不再是佩戴者的承重负担。同时，本文也试图从对传统颈托的辩证分析出发，结合选择性激光烧结尼龙打印技术，完成一套合理的仿生颈托设计方案。
关键词：选择性激光烧结技术颈托尼龙3D打印
随着社会压力的增加和生活方式的转变，现代人的颈椎负担越来越重，病变率也随之提升，且逐渐趋于年轻化。无论是对颈椎病的矫正还是手术治疗后的康复，都需要颈托这一医疗辅助器械，而且其需求量越来越多，要求也越来越高。
一、传统颈托的优劣势及设计原理
市面上的传统颈托花样繁多，价格区间较大，既有制作简单廉价的，也有功能多样、价格昂贵的。总体来说，市面上的传统颈托有三类，分别是气囊式颈托、硬颈托和牵引式颈托，分析和探究这三类传统颈托的优劣势和设计原理，将有利于在新型颈托的设计中取长补短，设计出更有利于人类身体健康和更实用的颈托。
（一）传统颈托的优缺点
一件产品被设计出来并广泛流通，必定有其实用性和优势。但传统颈托都是工业生产的标准件，往往只分为大、中、小三种型号，难以精准符合所有人的使用需求，所以也存在许多缺点，例如肥胖患者由于颈部脂肪堆积就难以适应标准产品。人体的差异很大，没有一种模板具有普适性，但一件不合适的颈托带给使用者的并不是良好的使用或治疗效果，而是生理上的负担。比如，透气性差会导致使用者皮肤呼吸不畅、接触面无法贴合会导致使用者皮肤破损甚至压疮、形态臃肿会影响使用者正常着装以及外观形象，这些都是需要解决的问题。就以上列举的三类传统颈托而言，也都存在一些尚待解决的缺点和有待改良的空间。
1.气囊式颈托
气囊式颈托的优点在于价格不高、原理简单、操作方便，不用时可收缩折叠，使用时充气即可，因此便携轻巧。而轻便的特点决定了气囊式颈托本身不会给肩部增加太多额外的负担。同时，气体充盈的气囊弹性十足、宜于佩戴且贴合度高，使用时更加舒适。
虽有一定优点，但气囊式颈托的不足之处也很明显：首先，这种颈托必须完全环绕并包裹患者的颈部才能起到支撑颈部的作用，因此透气性差，冬季尚可忍受，但夏季则完全会成为一种累赘，甚至可能会使长期佩戴者的颈部皮肤出现严重的不良反应。其次，气囊式颈托的稳定性较差，相对不能很好地固定颈部，以至于难以满足症状较重的颈椎病患者的需求， 会影响患者颈部的矫正效果。
2.硬颈托
硬颈托是一种内部使用坚固的支撑结构， 外部包裹柔性面料的颈托，通常分为前后两片， 使用时夹住患者的脖颈部位并以扎带固定。硬颈托作为一种常见的颈椎病医疗器具，使用历史较长、价格合适，目前仍在广泛使用。
此种颈托因用硬性塑料制作，所以约束力强，支撑强度高，使佩戴者无法随意扭动颈部， 从而较容易达到预期的矫正效果。但硬性塑料缺乏气囊式颈托的柔软特性，因此存在舒适性偏弱、与人体曲线贴合度差以及灵活度不高等缺点，再加上规格有限，便不能满足多数患者的需求。
3.牵引式颈托
牵引式颈托可以通过旋钮调节其高度、角度，同时可以利用局部气囊调整松紧度，属于价格较高的一类。牵引式颈托综合了以往各种传统颈托的优势功能，并在此基础上增加了牵引机能。首先，此类颈托可以实现对患者颈部的有效固定，合理的承托结构可以有效地将患者的头部重量直接转嫁给肩部承受，以此减轻病变颈部的压力。其次，其坚固的结构内部设置气囊，能够与佩戴者的颈部四周及下颌接触， 做到与人体高度贴合，以增加舒适度。再次，该颈托也可以通过调节旋钮改变颈托的承托角度与高度，以产生足够的牵引力，锻炼颈部肌肉群，促进颈椎患者的恢复。然而，即便牵引式颈托综合了许多传统颈托的功能，但由于需要容纳机械部件的空g，因此体积大，比较笨重，具有携带不便、佩戴臃肿等弊端。此外，目前市面上的大多数牵引式颈托只偏重功能的优化，而忽视了产品外观设计。
综上所述，以追求实用性和经济性为基础，对颈托功能的优化一直以来都是颈托设计者努力探索的方向。至于对产品形式感的把握与斟酌，从始至终未被列为首要考虑因素，而这直接导致现有的很多传统颈托都难以满足人们的审美需求。随着我国颈椎病发病人群的年轻化， 佩戴颈托予以矫正的方案也越来越受到关注。颈托的地位以及所扮演的角色或将如同眼镜一样，在人们的日常生活中起到矫正与装饰的双重作用。由此看来，在设计颈托时，与其偏执于功能的优化方案，不如拓展思路，在尽可能优化其功能的基础和前提下，积极美化颈托形式， 将实用性、经济性与艺术性充分结合。
（二）传统颈托的设计原理
传统颈托在对造型、功能、材质等各要素进行选择时，都离不开对一个基本问题的关注，那就是如何固定患者的颈椎并尽量长时间使其维持正确的姿势，在此基础上才可以进一步考虑颈托的舒适性、经济性、美观性等附加属性， 这就是传统颈托的基本设计思路。
既然关于颈托设计要解决的主要问题已经十分明确，那么针对这些问题所给出的解决方案即成为相对来说更为合理的设计原理。然而， 通常一个具体问题的解决方案并不是唯一的， 同理，如何设计颈托才能更好地固定颈椎也有不一样的思路。笔者以下主要介绍前文中提到的三类传统颈托的设计原理：气囊式颈托利用充气原理，当气体充满具有极高韧性的材料时可以提供足够的支撑力量，同时又具备相当的弹性（弹性的大小视选用的气囊材料而异）。硬颈托从根本上来讲是依赖于材料本身及其结构的良好支撑性能，简单且容易加工制作。机械式颈托的设计原理则稍微复杂，首先以坚固的塑料外壳作为整体的支撑结构，再在内部添加用以调节各部分间角度、间隙等参数的齿轮结构，同时在贴近人体颈部处添加局部的小型气囊，以达到贴合度、灵活性与稳固性的统一。不仅如此，部分机械式颈托还可以调节形态，方便患者躺卧。
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二、仿生颈托设计的理论、技术依据与材料选择
仿生设计作为一种独具优势的设计方法以及造型美观的设计作品，一直以来深受产品设计者和大众的关注，但往往由于所要模仿、学习的生物原型本身即是极为复杂的，因此也随之出现了一些难以解决的问题。如果用传统制造工艺来实现仿生设计，要么将仿生对象抽象提炼，但这样难以制造出适合不同人群的产品；要么花费大量时间制作模具胚子，但这样不利于成本的降低。对此，笔者认为3D打印技术正好可以提供解决方案。选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，以下简称"SLS"）技术与尼龙粉末材料遂成为笔者与设计组成员制作新式颈托的首选搭配。
（一）方法论――仿生设计简述
仿生设计古已有之，并且被广泛使用，如人们模仿鱼类的肺泡原理设计出了潜水艇、模仿锯齿形草叶设计出了锯子、模仿鸭子等动物的脚的形态设计出了游泳蹼等。如今，工业设计和生产中经常采用仿生设计的方式，且切入的角度也各有不同，单以内容为分类依据，就有功能仿生设计、形态仿生设计、结构仿生设计、肌理仿生设计、色彩仿生设计、意象仿生设计这六大类。功能仿生设计着眼于仿生生物特有的功能进行设计，如模仿蝙蝠以声波定位发明的雷达。形态仿生设计关注仿生对象的整体外形，如模仿鸟类翅膀设计的飞机。结构仿生设计在发现生物内在结构上具有的天然优势，比如建筑中薄壳结构的设计就是对蛋壳的模仿。肌理仿生设计注重观察生物表面的特殊肌理，如模仿鲨鱼体表皮肤的肌理而设计的鲨鱼皮泳衣，会使游泳者的游泳速度得到明显提升。色彩仿生设计最经典的案例就是军队的迷彩服。意象仿生设计致力于提炼对象的抽象特质，如神态、象征寓意等。
仿生设计的类型不外乎以上六种，而其具体的设计流程则有两种截然相反的思路。第一种相反，即先从具体的某一种生物入手，对其进行观察分析，并提炼出有价值的信息，再以此为出发点寻找可应用的产品种类，最后融合并生成具体设计方案。笔者认为，这两种设计思路各有智慧和优势，前者针对性强，可以精准地解决设计问题，而后者则能够衍生出丰富的、多元化的设计方案。而在实际操作中，也可将两者结合，先利用第二种思路形成庞大的信息库，再运用第一种思路完成具体设计方案。
（二）成型技术――各类3D打印技术
目前，工业生产中应用最多的3D打印成型技术主要包括：熔融沉积（Fused Deposition Modeling，以下简称"FDM"）技术、立体光固化（Stereolithography Appearance，以下简称"SLA"）技术、SLS技术等。这些成型技术由不同公司开发，具体成型原理各不相同，同时也各有对应的优劣势。
FDM技术在个人用户中使用广泛，许多廉价的桌面级3D打印机就是基于这种技术工作的。较为流行的3D打印笔，实际上就是微缩版的FDM技术打印机器。FDM打印机是通过加热喷嘴，将工厂加工好的热熔型线状材料融化， 再以相当的压力挤压融化状态的材料，按照设定的数据进行打印，从下至上一层一层地将对象堆积成型。
SLA技术属于"液态树脂光固化成型"的一类3D打印技术，主要利用紫外激光在盛满液态树脂的容器中通过"振镜"对树脂进行照射，以促进树脂按照模型给定的数据快速固态化，达到设计者的目的。SLA打印的物体可以很精细， 能够用于打印薄壁或者精度要求高的零部件， 但树脂材料本身的强度并不高，因此易变形和损坏。
SLS技术最先由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R，德查德（C.R. Dechard）于1989年研发，笔者与设计组成员在设计新型颈托时主要采用这种技术。SLS打印机使用的材料是经过处理的粉末材料，包括金属粉末、陶瓷粉末、高分子材料粉末等。使用SLS技术在打印产品时，首先机器缸体内的铺粉辊会铺上一层粉末材料，其次由高强度二氧化碳激光器根据模型数据进行有选择的扫描烧结，最后得到成品。在整个打印过程中，机器缸体需要密闭并一直保持恒定的打印温度，如此才能保证粉末烧结顺利。SLS技术具有打印速度快、可使用的材料广泛、无须打印支撑结构、制成品力学性能好等优势，而这些优势都有利于制造便捷、m用的新式颈托。其缺点在于会使打印件表面粗糙、设备维护成本高与加工成本较高等。但恰当应用该技术，并尽量利用其优势、规避其劣势就是设计师需要具体考虑的问题了。
（三）材料――聚合物
3D打印配套的材料种类广泛，从金属粉末到陶瓷石膏粉末再到高分子材料应有尽有，设计者可以结合自身需求以及设计特点筛选合适的材料。金属材料主要有不锈钢、钛合金、镁铝合金以及金、银等，适用于打印机器零件、首饰、人造骨骼关节等。金属材料虽有性能优异、观赏性高的优势，但重量大，与皮肤长久接触会导致不适，所以不宜选作颈托制作的主要材料。陶瓷石膏等材料脆性太高，用于制作工艺品尚可，但用于制作颈托则显然不适合。高分子材料种类繁多、性能强大（比如弹性好、轻盈、亲肤等），因此从中可能寻找到打造颈托的最佳材料。高分子材料包括但不限于工程塑料（Acrylonitrile Butadiene Styrene，以下简称"ABS"）、弹性塑料（Elasto Plastic，以下简称"EP"）、聚碳酸酯（Polychloroprene，以下简称"PC"）、尼龙（Nylon）。
ABS材料是目前工业生产中应用最广泛且产量最大的聚合物，无毒无味、价格便宜、强度较好，但用于3D打印时精度控制不高，加热后易产生翘曲变形，并非制作颈托的最佳材料。
EP材料坚固不易损坏，并拥有优异的弹力，可使用粉末烧结类技术打印穿戴物品，比如打印运动鞋底就可以利用EP材料。但EP材料打印成型后表面粗糙且不能在保证纤巧轻盈的同时获得足够的刚度以支撑物体，因此不是制作颈托的首选材料。
PC材料作为热塑性材料，其翘曲度低，强度J，具有一定的柔韧性，是一种良好的工程材料，如建筑中使用的阳光板或医疗注射器的主体都是使用PC材料。PC材料一般需要结合 FDM这一类丝材挤出成型技术，挤出温度要求J。总体看来，PC材料各方面性能均较理想， 但受限于打印工艺，在制造有复杂穿插关系的立体造型方面，不如尼龙与SLS技术结合方便。山
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SLS技术所能够选择的材料较为广泛，而笔者与设计组成员设计的新型颈托所选用的则是高分子材料中最常选用的尼龙材料，又名聚酰胺纤维。尼龙材料的力学性能优异，甚至有一定弹性，许多优质的复合型材料就是以尼龙为主要材料，再在尼龙粉末中加入铜（Cuprum，简称"Cu"）、碳纤维等原料，按照科学的配比可以得到性能更加优异的材料。除此之外，尼龙重量适宜，因此作为颈托的主要材料非常合适。用尼龙材料打印出来的产品粗坯还能进行打磨、上色，从而美化产品外观。此外，使用SLS 成型技术打印产品，还可以在前一缸剩下的粉末中混入一定比例的新粉进行重复利用，从而降低成本。
三、选择性激光烧结尼龙仿生颈托设计实验
对现有传统颈托存在问题的总结以及对新型颈托设计手法、制造工艺的选择构成了笔者与设计组成员最终的设计实验方案，为具体操作提供了依据。因此，下文将结合笔者的具体实践，详细展示仿生设计的方法论如何适用于新型颈托设计，以及SLS尼龙打印技术如何应用于仿生颈托设计。由前文分析总结出，传统颈托存在透气性差、人体贴合度低、结构有待优化、功能单一、造型臃肿等方面的问题和缺点。笔者介绍的新型颈托依赖新工艺、适宜的材料以及仿生设计尝试，试图从新的角度入手优化完善颈托设计。
此次颈托设计实验使用SLS技术，材料选择性能较好的尼龙，而仿生对象是生物的骨骼内部结构。
仿生原型的选定是设计构思的出发点，关乎对整个设计实验进行方向的把握。因此，针对参照对象的思考不能仅仅停留在表面，既要关注其内在结构与颈托的适配性，又要关注其作为造型原型的可发展性。自然界许多动物的身体都依靠骨骼来活动，而骨骼作为躯体的支撑，又起到克服地球引力的作用。经过漫长的演化，骨骼变得坚固又轻盈，可以承受自重以及运动导致的复杂多变的力的作用，而这些都要归功于骨骼特殊的物理结。骨骼由骨松质和骨密质组成，骨密质形成外部表面致密的“壳体”，骨松质则承担着内部支撑结构的角色，以传递分散骨骼承受的力，其组成单元是骨小梁，整体形态类似海绵，多孔疏松。骨小梁根据骨骼受力情况自行生成序列，最大限度地适应受力方向，以最小的质量、最优的结构承受力的作用。骨松质的结构具有强度大、质量小、多孔透气等特点，正适合解决颈托设计中结构与透气方面的问题。
材料和加工工艺的选择直接决定设计的可实施性。骨松质结构在一定程度上可以理解为三维立体的不规则网格形态，如果使用 FDM 或 SLA 等技术打印此结构，会显得非常烦琐且效果差，而采用 SLS 技术打印可直接由粉末自身提供支撑。除此之外，SLS 技术不会由于层纹的存在导致其力学性能的衰减。结构的优化程度除取决于结构形态外，还取决于材料的选用。尼龙是典型的具备良好力学性能的高分子材料，不仅强度大、质量小、与肌肤接触时不发生排斥，同时还可通过添加其他元素进行有方向性的性能改良，是用于制作新型颈托的良好材料。此次颈托设计用常规的尼龙粉末打印便足够了，因此无须在尼龙粉末中额外添加其他成分以改进其性能。
此新型颈托设计共经历了三个主要阶段。在第一阶段，颈托以正常体型的女性模特的三维模型为参照样本，按照其颈部曲线创建颈托的基本构架，并以此基础形态为依据，进一步利用骨松质的形态结构特征进行建模。为了获得更好的约束力，设计组在设计时将正前方的结构延伸至人体胸骨柄处，并在受力结构的表面添加叶片状的装饰物，以期提升颈托的形式美感。
在第一阶段结束后的模型适配阶段，设计组发现此次所设计的颈托前部延伸过长，实际只需要到达锁骨即可。而且，第一阶段的颈托造型精致度并不理想，体量过大导致冗余程度高。因此，在第二阶段，颈托尺寸被调小，结构衔接也更加立体化。经过此轮修改，打印的尼龙材料样品经佩戴测试，正常体型的女生或颈部纤细的男生正好可以佩戴，且支撑牢固，头部无法偏转晃动，而且相较于市面上的传统颈托来说体形更加小巧轻便。
第三阶段是在第二阶段的基础上进一步优化而来。首先，我们简化了第二阶段颈托的结构，并在两侧增加部分叶片状装饰物，装饰物贴合下层结构，呈包围式，以提升颈托的整体形式美感。其次，在颈托内部接近皮肤的空间，左右各增加一只热敷囊，在固定颈部的同时， 利用适宜的温度缓解颈部肌肉的不适感。热敷囊拟采用柔软的可贴合人体颈部曲线的材料制作，并将其设置为可拆卸状态，不需要时可以拿出以减轻颈托重量和减少接触面积（拿出时颈托与佩戴者颈部的接触面就仅有上下两圈线型区域），以增加透气性。
最终敲定方案的颈托可以采用不同质感与色彩的喷涂工艺进行装饰，以满足不同定制用户的个性需求。
四、结语
新技术的诞生往往能够为工业设计带来革命性的变化，许多积累已久的问题也能够获得解决的新思路，从而改变和影响人们生活的方方面面。本文基于SLS技术对仿生颈托的构想和实验性设计，只是一种探索，希望能够在利用新技术和适合的理论方法的基础上，为颈托设计提供一些新的思路。同时，笔者也希望随着技术的不断进步，能够做出更加完善的新型颈托的设计方案和现有颈托存在问题的解决方案，使得实用、经济、艺术三者结合的设计产品被不断催生出来，为人们的生活提供便利。
本文是江苏省教育厅高校哲学社会科学研究基金项目"高校空间课程本土化改革模式研究"（项目编号：2018SJA0365），南京艺术学院2021年教学改革研究重点课题（项目编号：2021JYZD13）阶段性成果。
注释：
[1]吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2017：55-58.
参考文献：
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[2]刘伟，史源，于菲，等.仿生设计中的功能创新研究 J].包装工程，2019，40（14）：186-191.
[3]罗仕鉴，张宇飞，边泽，等.产品外形仿生设计研究现状与进展J].机械工程学报，2018，54（21）：138-155.
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