趙展，胡秀枋，徐秀林

上海理工大學(xué)，上海市 200093

中國自商代就已開始使用筷子。相比刀叉，筷子在夾、挑、拌、撥等功能上凸顯優(yōu)勢(shì)，不可完全被代替。傳統(tǒng)筷子多為兩根細(xì)長圓柱體或類圓柱體，表面平整光滑；熟練使用它們需要上肢，尤其是肘和手，數(shù)十個(gè)關(guān)節(jié)與幾十條肌肉靈活協(xié)調(diào)、巧妙用力、互相配合[1-2]，特別是拇指、示指、中指、環(huán)指在復(fù)雜握姿下靈活用力[3]。通常的持筷姿勢(shì)為虎口、拇指根部和環(huán)指壓住一只筷子不動(dòng)，拇指頭部與示指、中指配合，操作另一只筷子開合而夾取食物[4]。使用筷子對(duì)手指功能要求較高。

隨著我國人口老齡化，至2017 年底老年人已達(dá)2.4億[5]。腦卒中是一種老年常見的疾病，70%～80%的腦卒中患者因殘疾不能獨(dú)立生活[6-7]，半數(shù)以上腦卒中患者發(fā)生手功能障礙[8]，精細(xì)動(dòng)作難以康復(fù)；加上關(guān)節(jié)攣縮、肌無力或手指缺失等原因，自如地使用筷子實(shí)非易事。

功能單一的勺子不能完全代替筷子，且筷子對(duì)老年人鍛煉雙手、延長用餐時(shí)間、保證充分咀嚼、減少每口進(jìn)食量、促進(jìn)消化吸收都有重要意義，老年人需要借助輔助器具以維持原有生活狀態(tài)[9]。付永民[10]通過觀察和訪談發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增加，老年人手部肌肉退化，靈活性和協(xié)調(diào)性變差，造成用筷困難。Miyawaki 等[11]從肌電的角度分析發(fā)現(xiàn)，筷子操作需要肩、前臂和手的巧妙配合。Kaneko 等[12]實(shí)驗(yàn)研究八邊、四邊和三邊形截面對(duì)手操控的影響，證實(shí)張開筷子要比閉合筷子更難。Shimomura 等[13]借助肌電圖評(píng)價(jià)了剪式和鉗式兩種控筷方式的使用性能及訓(xùn)練效果。Wu[14]研究男性成人使用不同粗細(xì)、錐角的筷子進(jìn)行夾、扒、剪、撥四種操作效果。Li 等[15]從材料、形狀、功能等方面改進(jìn)了系列筷子；也有人從降低使用難度方面進(jìn)行諸多改進(jìn)[16-18]。Yamazaki等[19-20]研發(fā)了一款裝有筷子的輔助機(jī)器人，可以抓取28 種食物，成功率達(dá)80%，可幫助殘疾人和老年人用餐。Oka 等[21]針對(duì)肌力不足的老年人開發(fā)一種筷類抓取器，能夠根據(jù)食物形狀和所需接觸力進(jìn)行自適應(yīng)，制作樣機(jī)并進(jìn)行驗(yàn)證。Koshizaki等[22]利用視覺和觸覺系統(tǒng)為殘疾人或老年人開發(fā)一款助餐機(jī)器人，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行抓取、轉(zhuǎn)移等驗(yàn)證有效性，能避免用力過小食物掉落、用力過大破壞食物的問題。Santos等[23]基于質(zhì)量屋和TRIZ 理論展示為帕金森病或手部震顫患者設(shè)計(jì)進(jìn)食輔具的設(shè)計(jì)過程。Chen 等[24-25]對(duì)比不同形狀筷子使用不同夾持方式進(jìn)行操作的效果，并研究添加輔助裝置前后的夾持效果。作為動(dòng)作精細(xì)程度不足、手指缺失等手功能障礙者的進(jìn)餐輔具，現(xiàn)有設(shè)計(jì)仍有不足之處，需進(jìn)一步完善[26-27]，如復(fù)雜的設(shè)計(jì)不僅會(huì)造成制造成本高、價(jià)格貴，而且難以徹底清潔消毒[28-29]；外動(dòng)力設(shè)計(jì)未充分發(fā)揮人體殘存功能，過早依賴機(jī)器進(jìn)食，減少患者參與度，加速功能退化；細(xì)直線型筷子易出現(xiàn)兩根不等長、筷頭長短不齊、筷頭交錯(cuò)；“指捏型”未脫離手指操作的局限性，仍需要拇指、示指、中指協(xié)調(diào)配合，缺一不可，對(duì)特定手指依賴嚴(yán)重，難以“握持”使用，筷子與手接觸面小，使用中易滑脫；其他如手指卡槽位置未考慮不同人的手部個(gè)性化適配問題，不具有普適性。

輔助器具是老年人提高生活質(zhì)量、平等參與社會(huì)活動(dòng)的重要工具和手段[30-31]。本研究對(duì)筷子輔具（中國輔具目錄代碼1009）進(jìn)行新的設(shè)計(jì)問題，以充分利用手功能障礙者殘存功能、減少手指依賴、避免精細(xì)動(dòng)作為主要目標(biāo)，以期降低操控難度，使之適合腦卒中后遺癥等手功能障礙者，或用于用筷經(jīng)驗(yàn)不足者，如西方人、幼兒、換手使用者。

1 資料與方法

1.1 建模設(shè)計(jì)與操控仿真

根據(jù)手功能障礙者的手部特點(diǎn)，考慮左右手通用、正反手可用、易加工、低成本等問題，應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維繪圖軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D 建模（圖1）。左右筷柄通過圓弧彎曲連接（A），左右筷頭與左右筷柄分別向下向內(nèi)折彎，筷頭的末端（頭部）設(shè)有防滑橫紋。

圖1 筷子輔具結(jié)構(gòu)圖

1.2 力學(xué)有限元分析

對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行選材和力學(xué)分析，以確定操作筷子輔具所需的握力?？紤]到連接處（A）可等效為彎片彈簧，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，

其中，C是與握持位置和折彎半徑的結(jié)構(gòu)型式相關(guān)的系數(shù)，F(xiàn)為握力，R為A處半徑，E為所選材料的彈性模量，b和h為A 處截面的高和厚；L為握點(diǎn)到A處的距離。

筷柄對(duì)應(yīng)受彎曲應(yīng)力的懸臂梁，應(yīng)滿足

其中，Wz為矩形截面積，M為截面所受彎矩。

b'為筷柄片狀截面的高，h'為筷柄厚度。

當(dāng)左右筷頭經(jīng)相同間距閉合時(shí)，所需握力與握持位置、筷體長度、材料、截面形狀和截面積等因素有關(guān)。

采用ANSYS軟件對(duì)圖1所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在必要簡化后進(jìn)行有限元仿真分析，主要流程包括設(shè)定材料屬性、選擇單元格進(jìn)行網(wǎng)格劃分、約束及加載、計(jì)算、后處理顯示結(jié)果[32]。設(shè)右手4 指握持右筷柄，大拇指按壓左筷柄相對(duì)運(yùn)動(dòng)；材料為結(jié)構(gòu)鋼，密度ρ=7.8×103kg/m3，楊氏模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3；3D模型劃分成23 528 個(gè)網(wǎng)格單元，45 383 個(gè)節(jié)點(diǎn)，加載后計(jì)算確定握力大小。見圖2。連接處（A）彎曲應(yīng)力較大。

圖2 有限元分析圖

1.3 樣機(jī)加工及試用

加工制作樣機(jī)。材料可根據(jù)使用者喜好、習(xí)慣等，結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，因地制宜選擇，如采用金屬薄片沖壓折彎，塑料注塑，竹木片蒸煮加熱后折彎，甚至可用金屬管、細(xì)金屬絲、圓柳條等折彎，并在左右筷柄上彎出指圈，并把連接處（A）壓扁。本次加工選用金屬薄片，采用一體化折彎工藝技術(shù)制作，原料經(jīng)裁剪、打磨、折彎和修整即成（圖3）。

圖3 筷子輔具的樣機(jī)

采用UH6503 型材料試驗(yàn)機(jī)（優(yōu)鴻科技公司），選擇合適壓頭，將樣機(jī)拇指按壓位置放置在壓頭正下方并與壓頭方向垂直，使用恒定加載速度壓縮筷柄，至左右筷頭互相接觸，撤消負(fù)荷力。測(cè)試數(shù)據(jù)見圖4?？觐^閉合過程中，拇指壓力呈線性增長，當(dāng)左右筷頭接觸時(shí)（P點(diǎn)），壓力增速加快。

圖4 筷子輔具的壓縮測(cè)試曲線

參考相關(guān)文獻(xiàn)[24-25,33]，對(duì)不同種類、形狀和大小的食物，用樣機(jī)進(jìn)行試用。由一名3 歲、不會(huì)使用常規(guī)筷子進(jìn)食的男童進(jìn)行試用，挾持進(jìn)食小番茄、花生等食物；測(cè)試左手及示指不參與下的夾持效果。上述測(cè)試，兒童本人及其監(jiān)護(hù)人均知情同意。

2 結(jié)果

本筷子輔具適用于左右手握持，正手抓握和反手捏持均適用（圖5）。為防脫手滑落，還可配備固定繃帶或橡皮筋固定，或?qū)瓯M(jìn)行加粗或固接木質(zhì)或塑料手柄。

圖5 筷子輔具正反手使用效果圖

有限元分析顯示，筷頭端部位移最大，最先接觸；應(yīng)力應(yīng)變主要集中在連接處（A），因此為增加握持穩(wěn)固感，理論上可將左右筷柄設(shè)計(jì)成剛度無限大；連接處彎曲半徑越大，連接處的截面積越小，所需握力越小，握持剛度也越?。皇植课粘治恢们耙?，所需握力減?。划?dāng)筷柄長15 cm，連接處彎曲半徑1.2 cm，連接處采用片狀材料，橫截面為矩形，高度1 cm，厚0.2 cm時(shí)，所需握力為1.85 kg。

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致；撤消負(fù)荷力后，樣機(jī)恢復(fù)至初始形狀。

試用結(jié)果顯示，兒童即學(xué)即會(huì)，可以輕松夾起小番茄、花生等食物。左手使用同樣方便，正反手使用均可成功操控進(jìn)食；正手握持時(shí)夾持力更大，能夾取位置更深的碗中食物；反手使用時(shí)所需拇指肌力更大。使用拇指和除示指外其余三指進(jìn)行夾持，有效性未見明顯下降。相比傳統(tǒng)筷子，握持夾取的有效夾持次數(shù)、夾持成功率提高；經(jīng)反復(fù)訓(xùn)練后，夾持成功率有所提升。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，夾取成功率提高可進(jìn)一步激發(fā)使用者信心和訓(xùn)練積極性。

3 討論

因手部關(guān)節(jié)僵硬、肌無力、精細(xì)動(dòng)作不足等原因，手功能障礙患者難以操控傳統(tǒng)直線型筷子完成夾持進(jìn)食，筷子滑落、食物掉落，既浪費(fèi)食物，又增加額外護(hù)理工作。已有研究改進(jìn)傳統(tǒng)筷子[16-17]，使其方便捏持使用，但因仍是直線型筷子，并不方便握持，這是由于手心向內(nèi)（虎口向上）握持時(shí)，送食物入口會(huì)造成前臂和肘抬伸、外旋角度較大；手心向外握持時(shí)，取碗中食物又會(huì)造成上臂抬伸、前臂內(nèi)旋角較大，甚至需要脊柱向另一側(cè)歪斜?？傊本€型筷子握持操作會(huì)造成姿勢(shì)別扭，手臂易疲勞，不適合關(guān)節(jié)活動(dòng)度受限的患者使用。也有研究設(shè)計(jì)非直線型筷子[18]，使其更適合手部握持操作，避免對(duì)特定手指操作的依賴，但因握力、閉合剛度依賴筷柄厚度，使得筷柄較薄，易造成筷柄變形、轉(zhuǎn)動(dòng)中心變化、筷頭對(duì)齊不佳。

本研究設(shè)計(jì)的筷子輔具，采用對(duì)稱的一體化結(jié)構(gòu)，筷頭自動(dòng)對(duì)齊，有效避免筷頭交錯(cuò)、兩筷游離等情況，降低了筷子控制難度；使用無需精細(xì)的手指動(dòng)作，降低了對(duì)特定手指的依賴，適合殘存部分肌力，但關(guān)節(jié)僵硬、肌肉韌帶粘連，或斷指、缺指、畸形等病癥的就餐者，也適合因傷換手的就餐者和用筷新手。握持是人體與生俱來的功能，正常情況下，捏力僅為握力的30%，對(duì)手部損傷者來說，握比捏更易完成[34]。與傳統(tǒng)筷子采用指捏式控筷不同，本輔具采用抓握操作，使夾取更有力；采用一體化折彎設(shè)計(jì)，無細(xì)小零件和復(fù)雜連接，左右筷柄利用撓性連接的彈性自彈開，省去使用筷子的“張開”步驟；無需刻意并齊筷頭，便于患者使用；筷柄截面積不影響所需握力的大小，可任意設(shè)計(jì)筷柄形狀，添加其他輔助，如木柄、把手，以提高握持穩(wěn)固感，方便配備繃帶或橡皮筋固定，防止筷子輔具脫手滑落；加工制作工藝簡單，材料易得、價(jià)格低廉，即學(xué)即用，左右手均可用，適用對(duì)象廣；還可用于手部訓(xùn)練，提高患者握力、改善患者認(rèn)知功能[35-37]，如反手使用可對(duì)拇指和示指進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作訓(xùn)練，在左右握柄間添加不同彈力壓簧可用于抗阻訓(xùn)練。此外，對(duì)用筷經(jīng)驗(yàn)不足、難以使用傳統(tǒng)筷子完成就餐者，初次使用者或換手使用者，本設(shè)計(jì)均可適用。

針對(duì)手功能障礙者的相關(guān)問題已經(jīng)成為康復(fù)工程領(lǐng)域的重要研究課題。家庭作為患者最重要的生活場所，居家康復(fù)是實(shí)施全面康復(fù)的重要環(huán)節(jié)[38]。為提高手功能障礙患者的日常生活質(zhì)量，適應(yīng)不同患者的用筷需求，順應(yīng)居家康復(fù)的發(fā)展方向，本研究采用一體化折彎設(shè)計(jì)、掌握式輔具控制方式，充分利用患者的殘存功能，有效提高筷子的可操縱性，減少筷子對(duì)特定手指的依賴，很大程度降低對(duì)手指技巧和協(xié)調(diào)性的要求，制備工藝簡單、性價(jià)比較高，可廣泛應(yīng)用于骨外科、康復(fù)科、專業(yè)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、社區(qū)、愛心餐廳和家庭等場所，以減少就餐者對(duì)他人的依賴，提高生活質(zhì)量和就餐滿意度。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。