郝 亮，何 萌 ，潘瑞琪 ，王一婧，李思萌，蔣振宇，李 妍，李 正，殷 杰，孫慶磊，石 斌，韓光超，劉富初，蔣宏勇，熊 瑋，黃朝暉，肖人彬，宋懷兵,郭 玨

(1.中國地質(zhì)大學(xué)珠寶學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北省珠寶工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；4.中國地質(zhì)大學(xué)機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；5.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；6.華中科技大學(xué)人工智能與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074；7.中國地質(zhì)大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074;8.英國拉夫堡大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計研究院，英國 倫敦 E20 3BS)

1 地質(zhì)礦物啟發(fā)與增材制造

1.1 地質(zhì)礦物啟發(fā)

生命源于自然，物競天擇的自然規(guī)律使得大自然物種、物質(zhì)不斷進化更迭，以適應(yīng)更復(fù)雜多變的環(huán)境。自古以來，人類就不斷嘗試從自然界中汲取創(chuàng)新靈感，并設(shè)計發(fā)明了許多先進的工具、器件和設(shè)備應(yīng)用于不同領(lǐng)域?；诘刭|(zhì)礦物啟發(fā)進行設(shè)計、適應(yīng)和衍生[1]的概念在不斷傳播演化的過程中，形成了與仿生學(xué)類似的新興交叉研究領(lǐng)域。隨著時間的推移和地球環(huán)境不斷的變化，地球發(fā)生了重大演變，形成了越來越多的礦物。這些巖石、化石、礦物等的成因及其物理、化學(xué)和生物屬性也激發(fā)研究人員進行探索、模仿和創(chuàng)造。

Wang等[2]描述了結(jié)晶工程可以從地質(zhì)學(xué)中獲取靈感，創(chuàng)造和設(shè)計具有較高性能的新型材料；Butcher等[3]探討了自然形成的地球材料的潛力，將地質(zhì)模仿(Geo-inspiration)作為創(chuàng)造、設(shè)計和發(fā)明各種新材料和新產(chǎn)品的靈感來源，提出基于地質(zhì)啟發(fā)科學(xué)、工程、建筑、藝術(shù)和設(shè)計的獨特概念(圖1a)，以及基于地質(zhì)啟發(fā)創(chuàng)造新材料和產(chǎn)品的主要流程方法(圖1b)。基于觀察和發(fā)現(xiàn)地質(zhì)啟發(fā)的物體，利用模仿和設(shè)計進行發(fā)明，再通過制造技術(shù)形成最終的材料或產(chǎn)品，可促進商業(yè)化的發(fā)展和應(yīng)用，推動進一步的開發(fā)和創(chuàng)新。

圖1 基于地質(zhì)啟發(fā)科學(xué)、工程、建筑、藝術(shù)和設(shè)計的獨特概念(a)及基于地質(zhì)啟發(fā)創(chuàng)造新材料和產(chǎn)品的主要流程方法(b)[3]Fig.1 Unique concepts of science,engineering,architecture,art and design based on geo-inspiration(a);Main methods for creating new materials and products based on geo-inspiration (b) [3]

圖2 通過海螺殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)的3D打印層狀結(jié)構(gòu)(a)、層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖(b)及其應(yīng)用于頭盔中(c)；沖擊試驗后樣品分別三層的截面圖(d-f)[8]Fig.2 Conch shell-inspired structure fabricated via additive manufacturing (a)，schematic diagram of the conch shell-inspired layer structure (b) and the structure applied in helmet (c);cross-sectional image of the three layers of samples after impact test (d-f)[8]

地質(zhì)礦物啟發(fā)包含生物啟發(fā)(Bio-inspiration)和地質(zhì)啟發(fā)(Geo-inspiration)，可將地球自然存在的所有生物和材料作為靈感來源去設(shè)計、創(chuàng)造和應(yīng)用，不僅可為人們提供高性能和功能的材料及產(chǎn)品，還能促進人與自然的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

1.2 地質(zhì)礦物與增材制造可穿戴結(jié)構(gòu)

目前，已有學(xué)者探索了基于地質(zhì)礦物啟發(fā)的增材制造技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，“生物3D打印技術(shù)”可模擬自然關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和骨組織孔隙等特征，提供滿足個性化治療需求的植入物、人工關(guān)節(jié)和康復(fù)器械等醫(yī)用品，可以有效地提高制造效率、延長人工骨壽命、減少術(shù)后并發(fā)癥、增強治療及康復(fù)效果[5-6]；在建筑工程領(lǐng)域，增材制造可發(fā)揮其快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，不僅能提供更高的建筑效率，還能利用多樣化的環(huán)保材料進行建造，同時能有效減少耗材，也可用于災(zāi)后緊急住房重建，達到綠色可持續(xù)發(fā)展[7]；在穿戴防護領(lǐng)域，Gu等[8]通過模仿海螺殼中獨特的三層碳酸鈣交叉結(jié)構(gòu)，用3D打印制備了仿生海螺殼三層復(fù)合抗沖擊結(jié)構(gòu)材料，并通過實驗證明該結(jié)構(gòu)的沖擊性能分別比僅有一層排列和實體塊狀結(jié)構(gòu)高70%和85%，防裂紋擴展性能是最強基材的1.85倍，適用于抗沖擊防護頭盔或人體裝甲(圖2)。

增材制造技術(shù)，即3D打印技術(shù)，是基于3D模型數(shù)據(jù)，采用與減材制造技術(shù)相反的逐層疊加方式制造物品，最終將計算機上的三維模型變?yōu)榱Ⅲw實物，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，也是大批量制造向個性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)[4]。隨著工業(yè)5.0提出的工業(yè)生產(chǎn)必須尊重和保護地球生態(tài)，注重社會和生態(tài)價值?；诘刭|(zhì)礦物啟發(fā)的概念，與增材制造技術(shù)高效率、低成本、按需定制、減少材料消耗、能夠成型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)勢相結(jié)合來進行創(chuàng)造性、持續(xù)性、高價值的應(yīng)用和開發(fā)，將是未來創(chuàng)新研究的重要趨勢。

圖3 General Lattice晶格頭盔(a)[9]和阿迪達斯Tokyo Collection 4DFWD跑鞋(b)[10]Fig.3 Lattice helmet by General Lattice (a) [9]and Toyo Collection 4DFWD running shoes by Adidas (b)[10]

在穿戴結(jié)構(gòu)設(shè)計上，許多公司都在積極設(shè)計和驗證增材制造晶格結(jié)構(gòu)并致力于應(yīng)用在實際穿戴產(chǎn)品中。General Lattice是一家利用計算設(shè)計、先進晶格材料和增材制造技術(shù)制造個性化產(chǎn)品的公司，擅長使用結(jié)構(gòu)來優(yōu)化零部件[9]。如圖3a所示，該公司設(shè)計了一種General Lattice晶格結(jié)構(gòu)用于改進作戰(zhàn)頭盔，該設(shè)計通過先進的幾何形狀結(jié)構(gòu)來改善頭盔中心的減震性能。圖3b為阿迪達斯和Carbon聯(lián)合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋，通過增材制造技術(shù)結(jié)合“領(lǐng)結(jié)形”FWDCELL結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出新型鞋墊中底，它提供了根據(jù)特定運動模式微調(diào)中底的能力，使運動員可以享受每一步的精確性能。同時，該“領(lǐng)結(jié)形”結(jié)構(gòu)利用獨特的幾何元素將垂直壓力轉(zhuǎn)換為向前運動，將緩沖性能提高了23%，在垂直負載下的向前運動增加了3倍，將峰值制動力降低了15%，具有良好的性能特點[10]。

2 玻璃海綿及其結(jié)構(gòu)特征

2.1 玻璃海綿

玻璃海綿(Glass sponges，GSs)，也稱為阿氏偕老同穴(Euplectellaaspergillum),是最古老的后生動物之一，代表了研究進化古代生物機制和關(guān)系(如海綿-微生物相互作用)的依據(jù)。它們生活在海底10～6 770 m的深處，壁厚通常為1～2 mm，身高從10～30 cm不等，最大可生長到2 m以上。玻璃海綿具有獨特的二氧化硅制骨骼，經(jīng)過自然漫長的優(yōu)勝劣汰，它們進化成了具有輕質(zhì)、高韌性、高強度和高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)特征。其特殊針狀結(jié)構(gòu)的底端像錨一樣固定在大洋底層的礁石上，具有柔韌性和可彎曲性，可以成功避免洋流沖擊和破壞；整體又呈現(xiàn)圓筒狀的籃子結(jié)構(gòu)(圖4)[11]，因此又被稱為“維納斯的花籃”。玻璃海綿以從水中過濾而來的最小浮游生物為食，同時又為魚類、無脊椎動物以及其它海洋生物提供完美的躲藏、產(chǎn)卵和生存的環(huán)境。它內(nèi)部常有一對蝦寄居，在日本常將玻璃海綿作為結(jié)婚禮物送給新人，被視為愛情的象征[12-20]。

圖4 阿氏偕老同穴[11]Fig.4 Euplectella aspergillum[11]

2.2 玻璃海綿的結(jié)構(gòu)特征

1841年，英國生物學(xué)家Richard Owen在菲律賓附近發(fā)現(xiàn)了這種海綿，立即被它們堅硬的、閃亮的、富有彈性的由玻璃細絲編織而成像是“精致的聚寶盆”的骨架所吸引[21]。Aizenberg等[18]對玻璃海綿生物的結(jié)構(gòu)進行研究，其由規(guī)則排列的正方形格子組成了一個復(fù)雜的圓柱形籠狀結(jié)構(gòu)，且圓柱體表面具有以45°角螺旋上升的外部脊，并隨著結(jié)構(gòu)形態(tài)從頂部至底端逐漸減小，構(gòu)成了長度約為20～25 cm，直徑約為2～4 cm的玻璃海綿整體骨骼(圖5a-圖5b)；從圖5c-圖5f顯示了其支柱為縱橫交錯和相互平行的排列方式，支柱內(nèi)部為同心層狀結(jié)構(gòu)；其骨針又由二氧化硅納米粒子和中央蛋白質(zhì)有機層形成的同心層狀組成(圖5g-圖5i)。玻璃海綿七級層次結(jié)構(gòu)分別為二氧化硅納米粒子、同心圓二氧化硅和有機物交替層、骨針、格子狀結(jié)構(gòu)、骨骼的節(jié)點、表面脊和底部支撐殼活動彎曲的錨(圖5j-圖5p)。

圖5 玻璃海綿生物結(jié)構(gòu)特征(a-i)和玻璃海綿七級層次結(jié)構(gòu)(j-p)[18]Fig.5 Structural characteristics of the mineralized skeletal system of glass sponge (a-i) ;the seven levels of structural hierarchy in the skeletal system of glass sponge (j-p)[18]

2.3 玻璃海綿的結(jié)構(gòu)性能特點與地質(zhì)礦物仿生迭代

Aizenberg等[18]通過一系列實驗和計算機模擬揭示了玻璃海綿結(jié)構(gòu)比常用于建筑和橋梁建設(shè)中的傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)具有更高的強度-重量比。如圖5m所示，玻璃海綿的正方形格子狀單胞結(jié)構(gòu)是由垂直、橫向和雙向?qū)蔷€排列的骨針組成，而不是建筑所用縱橫交錯在典型桁架上的單個對角線。同時，這種棋盤格式的異質(zhì)單胞排列方式，讓玻璃海綿具有輕質(zhì)、高韌性、高強度和高穩(wěn)定性等特征。此外，與傳統(tǒng)的橫梁設(shè)計相比，玻璃海綿中對角線的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有更多的節(jié)點和更短的節(jié)點間距，使其不僅能夠在數(shù)千米深的水下承受更大的壓力，還能防止其他生物的碰撞和攻擊所造成的傷害。這也突出了玻璃海綿在自然中經(jīng)過數(shù)百萬年反復(fù)的驗證、進化和迭代，使自身達到高性能特點以適應(yīng)環(huán)境變化和生存的結(jié)果。因此，研究人員希望以此獲得靈感啟發(fā)來建造出更堅固、更輕便的結(jié)構(gòu)，并探討其在航空航天和可穿戴產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用。本文將著重研究高強度鈦合金仿玻璃海綿結(jié)構(gòu)及其在穿戴結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用。

3 地質(zhì)礦物啟發(fā)的玻璃海綿結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備及其力學(xué)性能

3.1 基于增材制造技術(shù)的玻璃海綿結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備

在前期研究中[22]，筆者已根據(jù)玻璃海綿生物獨特的微結(jié)構(gòu)特點(圖6a)，利用Rhinoceros 3D和其插件Grasshopper進行仿生玻璃海綿晶格結(jié)構(gòu)(Glass sponge lattice structure，GSLS)模型設(shè)計。如圖6b所示，通過45°相互交叉的斜桿在正方形單胞的側(cè)立面沿面心方向形成類似于圓形和網(wǎng)格狀混合的異質(zhì)晶格形狀,并將單胞沿x、y、z軸方向重復(fù)陣列，最終形成一個立方體晶格結(jié)構(gòu)。此外，使用同樣的方法設(shè)計了具有相同桿直徑(0.35mm)、單胞尺寸(3mm×3mm×3mm)和外形尺寸(18mm×18mm×18mm)的BCC(Body-centered cubic)、FCC(Face-centered cubic)、蜂窩(Honeycomb)和金剛石(Diamond)立方體晶格結(jié)構(gòu)(圖6c)，并通過選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)使用EOS M290儀器設(shè)備制造了一批Ti6Al4V晶格結(jié)構(gòu)樣品，用于對比不同結(jié)構(gòu)的靜態(tài)單軸壓縮力學(xué)性能。

圖6 攝影和光學(xué)顯微鏡下的玻璃海綿生物標本骨骼結(jié)構(gòu)圖像(a),玻璃海綿晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖(b),BCC、FCC、GSLS、Honeycomb和金剛石1/3晶格結(jié)構(gòu)示意圖(c)及通過SLM技術(shù)的用于壓縮測試的晶格結(jié)構(gòu)樣品(d)[22]Fig.6 Photography and optical microscope images of the skeletal system of a nature glass sponge sample(a);the schematic pattern of GSLS (b);the 1/3 lattice structures of BCC,FCC,GSLS,honeycomb,and diamond (c);the lattice structures manufactured by SLM intended for compression tests (d) [22]

3.2 玻璃海綿晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

玻璃海綿生物因其獨特而堅固的結(jié)構(gòu)特性，也逐漸受到工程和材料科學(xué)界的關(guān)注。利用其自身有限材料實現(xiàn)輕質(zhì)、高韌性、高強度和高穩(wěn)定性的力學(xué)特性，同時還能保護自己免受洋流和其他海洋動物的攻擊[13,19-20,23]，這與通過增材制造技術(shù)利用有限的材料實現(xiàn)輕量化和高效力學(xué)性能的目標不謀而合。

Fernandes等[20]運用漸進優(yōu)化算法和3D打印技術(shù)制造不同樣品，如圖7a-圖7e所示，揭示了玻璃海綿是由垂直、水平和45°對角桿相交而成的類似于棋盤格狀的桁架結(jié)構(gòu)，這種對角支柱可以增強強度并實現(xiàn)最大的抗屈曲性。Li等[23]使用光敏樹脂3D打印技術(shù)對比仿生玻璃海綿結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)薄壁管狀樣品(圖7f)的力學(xué)行為，證明仿生玻璃海綿管狀結(jié)構(gòu)在壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷測試中比蜂窩管狀結(jié)構(gòu)具有更高的力學(xué)性能，并探討其在航空航天承重機器人手臂接頭之間的管狀元件中的應(yīng)用。Sadeghzade等[24]通過3D打印技術(shù)制備了仿生玻璃海綿的合成針狀結(jié)構(gòu)樹脂材料，發(fā)現(xiàn)這種合成針狀結(jié)構(gòu)比實心桿結(jié)構(gòu)具有更好的力學(xué)性能，可以有效阻止和轉(zhuǎn)移裂紋路徑，提高樹脂脆性材料的強度和韌性。Sharma等[25]采用熔絲制造(Fused filament fabrication，F(xiàn)FF)技術(shù)制造熱塑性聚氨酯(Thermoplastic polyurethane，TPU)材料的仿生玻璃海綿晶格結(jié)構(gòu)，并研究了其能量吸收和變形行為。

圖7 玻璃海綿生物骨骼系統(tǒng)和仿生玻璃海綿結(jié)構(gòu)設(shè)計(a-e)[20];3D打印管狀仿生玻璃海綿結(jié)構(gòu)和蜂窩狀結(jié)構(gòu)樣品(f)[23]Fig.7 Skeleton system of glass sponge and bio-inspired glass sponge structure design (a-e)[20];samples of bio-inspired tubular glass sponge structure and honeycomb structure by 3D printing (f)[23]

根據(jù)前期研究[22]，通過將圖6d使用SLM技術(shù)制備的Ti6Al4V材料GSLS與常用的BCC、FCC、Honeycomb和Diamond晶格結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)單軸壓縮力學(xué)性能測試，通過結(jié)果對比顯示，GSLS的歸一化彈性模量(NormalisedE= 538 MPa)和歸一化最大抗壓強度(Normalisedσmax= 13.78 MPa)幾乎分別是FCC的1.4倍和1.3倍、BCC的2.6倍和2.4倍、Honeycomb的2.7倍和3.5倍，以及Diamond的18倍和8.3倍。同時，揭示了仿生玻璃海綿結(jié)構(gòu)因其異質(zhì)單胞的構(gòu)形特征，表現(xiàn)出獨特的層內(nèi)逐個傳遞和層間逐層斷裂的特性，進一步提高了GSLS結(jié)構(gòu)的承載能力，并保持了整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)部完整性。

綜合以上，玻璃海綿結(jié)構(gòu)具有較強的力學(xué)性能，為高強度、輕量化的晶格結(jié)構(gòu)在穿戴防護用品上的應(yīng)用提供了支撐。

4 基于玻璃海綿結(jié)構(gòu)的手部穿戴產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)研究

4.1 手部穿戴產(chǎn)品需求及特點

在美國，58%的人患有遠端指間(Distal interphalangeal，DIP)關(guān)節(jié)炎，30%的60歲以上人患有近端指間(Proximal interphalangeal，PIP)關(guān)節(jié)炎[26-27]。Spies等[28]指出，原發(fā)性手指和拇指關(guān)節(jié)炎隨著人口老齡化現(xiàn)象，患者患病率顯著上升。在患者早期階段使用夾板和關(guān)節(jié)固定器是主要的治療手段。如表1和圖8所示[29-30]，目前主要的手部夾板和關(guān)節(jié)固定器類別，其主要功能是提供固定和支撐，幫助關(guān)節(jié)在愈合時保持筆直和穩(wěn)定，同時防止二次受傷，有助于減少疼痛，幫助受損的肌腱和骨折等損傷愈合。但目前，這些手部關(guān)節(jié)防護及固定器等產(chǎn)品還存在如金屬硬質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用少、重量大、輕便性和透氣性差等問題，往往以犧牲舒適性和輕便性為代價來提高產(chǎn)品的防護性能和治療等功能需求；而聚合物等材料結(jié)構(gòu)的透氣性、貼合性和依從性差，長期佩戴容易產(chǎn)生壓瘡、過敏等現(xiàn)象，同時穩(wěn)定性、保護性和耐久性弱，循環(huán)使用后材料和結(jié)構(gòu)的剛度會減弱且易發(fā)生變形。Güven等[31]指出治療延遲或不適當?shù)墓潭ㄎ恢脮o法提供良好的支撐，影響治療效果和身體康復(fù)，甚至導(dǎo)致手部功能喪失和畸形。

表1 目前主要的手部夾板和關(guān)節(jié)固定器類別[29-30]Table 1 Main categories of hand splints and hand joint fixators

圖8 膠帶式夾板(a)、塑料指部固定夾板(b)、金屬動態(tài)手指夾板(c)、熱塑性聚合物掌骨關(guān)節(jié)夾板(d)和3D打印腕部夾板(e)[29-30]Fig.8 Tape splint (a),plastic finger fixation splint (b),metal dynamic finger splint (c),thermoplastic polymer metacarpal joint splint (d) and 3D printing wrist splint (e)[29-30]

4.2 一體化手部穿戴結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品設(shè)計制造方法

如圖9所示，基于玻璃海綿高性能微結(jié)構(gòu)的特點及前期研究，提出“信息采集-結(jié)構(gòu)設(shè)計-仿真模擬-力學(xué)測試-增材制造-穿戴應(yīng)用”的一體化手部穿戴產(chǎn)品設(shè)計制造方法?；诖朔椒ǎ衫肕icro CT、三維掃描等技術(shù)對玻璃海綿結(jié)構(gòu)和人體手部形態(tài)進行信息采集和分析，再通過仿生設(shè)計和首飾設(shè)計方法，進行玻璃海綿可穿戴手部結(jié)構(gòu)個性化設(shè)計和定制；同時，結(jié)合仿真模擬軟件，進一步對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、評估和預(yù)測，根據(jù)不同使用功能、佩戴場景、力學(xué)性能和治療方式的需求，優(yōu)化穿戴產(chǎn)品的局部應(yīng)力和治療效果；最后，通過SLM增材技術(shù)和Ti6Al4V材料實現(xiàn)硬質(zhì)、輕便、高強度和美觀性的手部穿戴產(chǎn)品。

圖9 基于玻璃海綿結(jié)構(gòu)的一體化手部穿戴產(chǎn)品設(shè)計制造方法Fig.9 Design and manufacturing method of hand-wearable products based on glass sponge structure

4.3 玻璃海綿結(jié)構(gòu)手部穿戴結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品設(shè)計

前文提出選擇合適的手部夾板可以有效限制關(guān)節(jié)的活動，從而達到更好的治療效果。因此，手部夾板和關(guān)節(jié)固定器的設(shè)計與制造需考慮其結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)匹配性、透氣性以及輕量性，以保證其滿足防護和治療所需的生物力學(xué)性能和穿戴舒適性等方面的要求。

如圖10所示，筆者根據(jù)前期研究的玻璃海綿結(jié)構(gòu)特性，展示了GSLS及其衍化結(jié)構(gòu)在手指關(guān)節(jié)和腕掌關(guān)節(jié)固定器上的設(shè)計案例，可用于錘狀指手指矯直，腕掌關(guān)節(jié)脫位固定，糾正關(guān)節(jié)的屈曲攣縮，幫助扭傷和急性關(guān)節(jié)炎的康復(fù)治療?；赟LM技術(shù)的Ti6Al4V玻璃海綿多孔結(jié)構(gòu)，不僅提升了產(chǎn)品的輕量性、承載能力和強度，增強了手部固定、治療和保護效果，還具有耐久性、透氣性、耐熱性和耐腐蝕等特點，長期佩戴不易出現(xiàn)變形、松動和過敏等現(xiàn)象。此外，通過陽極氧化電鍍工藝還能提供不同的顏色效果，使產(chǎn)品具有功能性、舒適性和美觀性。

圖10 錘狀指手指矯直固定器(a)和腕掌關(guān)節(jié)固定器(b)Fig.10 Mallet finger fixator(a) and wrist metacarpal joint fixator(b)

5 穿戴結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與研究展望

5.1 結(jié)合首飾材料工藝提升穿戴性和時尚性

隨著可穿戴產(chǎn)品在醫(yī)療健康等領(lǐng)域快速發(fā)展，消費者對穿戴類產(chǎn)品的外觀要求也逐漸提高，因此其作為穿戴類消費品的時尚性不容忽視。從消費者層面來講，可以激發(fā)消費者購買欲望，提高產(chǎn)品競爭力；從產(chǎn)品層面來講，可以激發(fā)其美觀性和裝飾性，充分發(fā)揮產(chǎn)品潛力。通過“寶石材料工藝”能夠賦予新的產(chǎn)品材質(zhì)，例如使用鈦金屬材料可以保證產(chǎn)品在輕量化、高強度的同時，還有獨特的色彩效果；利用“首飾設(shè)計”優(yōu)勢，能夠賦予穿戴產(chǎn)品更豐富的外觀及美學(xué)特征；利用琺瑯和鏨刻等工藝對可穿戴產(chǎn)品加以賦能，豐富消費者對可穿戴產(chǎn)品外觀方案的選擇，從而提升產(chǎn)品競爭力。

首飾是可直接用于人體的裝飾物，是人類修飾容貌、彰顯地位的裝飾品。首飾設(shè)計包含了從創(chuàng)意構(gòu)思到設(shè)計物化的全過程，強調(diào)主題、功能與美學(xué)造型的一致性，從而體現(xiàn)材質(zhì)美、造型美和工藝美以及具有裝飾功能、使用功能或彰顯身份地位功能的象征[32]。傳統(tǒng)的手部關(guān)節(jié)固定器等產(chǎn)品形狀不能完好貼合患者手部形態(tài)，極易造成手指腫脹、關(guān)節(jié)僵硬、手部骨折不愈合，移位畸形等現(xiàn)象。同時，長時間佩戴治療矯形器具，易吸引他人注視，增加用戶心理壓力，甚至產(chǎn)生敏感、自卑等負面情緒，從而降低使用率和治療效果。因此，結(jié)合首飾設(shè)計，針對人體結(jié)構(gòu)形態(tài)，發(fā)掘用戶的情感化需求，從材質(zhì)、造型、工藝等方面進行個性化設(shè)計和定制，使手部穿戴產(chǎn)品更符合人機工程學(xué)和治療要求，同時提升產(chǎn)品的穿戴性、舒適性和美觀性，使用戶愿意佩戴。

5.2 結(jié)合仿真模擬與多材料提升功能性

通過限元仿真模擬分析(Finite element analysis，F(xiàn)EA)可以有效減少實驗測試所需的成本和時間，更直觀地觀測結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓縮響應(yīng)和應(yīng)力/應(yīng)變分布情況，并根據(jù)手部不同部位的受力需求進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、力學(xué)性能評估和治療效果預(yù)測，從而提升產(chǎn)品的力學(xué)匹配性，增強防護和治療效果。

與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖然3D打印技術(shù)可以快速成型不同材料的手部穿戴支具產(chǎn)品，但在保護和治療效果、整體生物力學(xué)性能、舒適性等方面還存在較多不足。同時，在打印材料的選擇上，也存在如尼龍材料硬度較低、力學(xué)性能弱、易變形和松動，ABS、PLA等材料柔韌性和舒適性差、透氣性弱和易過敏，金屬等剛性材料重量大、邊緣較硬易壓迫皮膚、貼合性和舒適性差等問題。因此，可基于地質(zhì)礦物啟發(fā)，通過剛?cè)峤Y(jié)合進行多材料的手部穿戴產(chǎn)品開發(fā)。如根據(jù)不同部位的受力需求，通過Ti6Al4V剛性材料和尼龍等軟性材料結(jié)合，實現(xiàn)硬質(zhì)、輕便和舒適的手部穿戴產(chǎn)品。同時，還能結(jié)合4D打印技術(shù)和形狀記憶合金等材料，針對階段性的治療需求進行產(chǎn)品研發(fā)，為其手部功能的恢復(fù)創(chuàng)造最佳條件、縮短損傷部位愈合時間、避免恢復(fù)后不必要的畸形出現(xiàn)。

5.3 結(jié)合智能穿戴技術(shù)增強產(chǎn)品交互性

智能穿戴首飾不僅具有裝飾性和美觀性，還能通過智能傳感系統(tǒng)感知和監(jiān)測腦電波、心跳、血壓、溫度、肢體運動等信息，并通過數(shù)據(jù)的采集、記錄、存儲、顯示、傳輸、分析進行人機交互[33-34]。因此，結(jié)合智能穿戴和監(jiān)測系統(tǒng)，可為患者提供定制化、個性化的產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)，增強產(chǎn)品的交互性、體驗感和依從性，全方位的幫助用戶恢復(fù)和治療。如指骨骨折往往伴隨軟組織的損傷，可在手部穿戴支具上安裝電刺激裝置刺激屈指肌肉收縮，使手指恢復(fù)捏握功能。

6 結(jié)語

基于地質(zhì)礦物啟發(fā)，為人類提供了高性能材料、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和開發(fā)思路。將地質(zhì)礦物啟發(fā)的思想與先進的增材制造技術(shù)相結(jié)合，為實現(xiàn)硬質(zhì)、輕量、高強度、高韌性的手部穿戴產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用提供支撐。同時，今后還需進一步結(jié)合人體手部形態(tài)和治療等不同使用功能和佩戴場景需求，通過仿真模擬匹配生物力學(xué)需求，利用智能穿戴和數(shù)字監(jiān)測等技術(shù)，增強產(chǎn)品的交互性、依從性和體驗感，最終實現(xiàn)具“功能性、時尚性、可制造性”的手部穿戴防護產(chǎn)品。