Unlimited Tomorrow
Medical Devices & Pharmaceuticals NX
Unlimited Tomorrow

NX 帮助革新儿童个性化手臂假肢的远程开发

纽约州纽约市, United States

Unlimited Tomorrow 公司将传统假肢的成本降低了 90%,同时提高了假肢质量,并加快了交付速度

Medical Devices & Pharmaceuticals NX

NX 帮助革新儿童个性化手臂假肢的远程开发

纽约州纽约市, United States

Unlimited Tomorrow 公司将传统假肢的成本降低了 90%,同时提高了假肢质量,并加快了交付速度

quotation marks 利用我们的旧版软件,可以看到 3D 打印中仍有很多小平面,但是使用 NX 则不会出现这种情况。它的几何形状非常精确,外观更加逼真。 Matt Landolfa, 首席机械设计工程师 Unlimited Tomorrow
挑战
  • 减少开发手臂假肢的时间和成本
  • 提高个性化手臂假肢接受腔的开发速度,并减少原型数量
  • 使手臂假肢的外形更加逼真
  • 为儿童提供穿戴舒适的假肢
成功的关键
  • 充分利用 3D 扫描和增材制造
  • 使用 NX 自动化优化和参数化设计,提高接受腔的贴合度
  • 提高制造个性化接受腔的效率
  • 让临床医师操作软件,无需工程师通过 NX 进行监督
结果
  • 凭借无需走出家门的个性化解决方案颠覆了行业
  • 将传统假肢的成本降低了 90%
  • 减少了舒适贴合所需的测试用接受腔的数量
  • 假肢交付速度比传统过程快了五倍

Unlimited Tomorrow

Unlimited Tomorrow 致力于为广大截肢患者提供直观且可扩展的模型,全程制作个性化假肢。该公司开发了一种经济实用的新一代手臂假肢,采用定制化远程安装过程,用户不必出门即可快速简便地进行安装。

www.unlimitedtomorrow.com

quotation marks 由 NX 推动的接受腔开发过程在公司上下引起了巨大连锁反应。目前,我们正在拓展该软件的应用范围,进一步实现流程优化和自动化。 Easton LaChappelle, 创始人兼首席执行官 Unlimited Tomorrow
quotation marks 利用我们的旧版软件,可以看到 3D 打印中仍有很多小平面,但是使用 NX 则不会出现这种情况。它的几何形状非常精确,外观更加逼真。 Matt Landolfa, 首席机械设计工程师 Unlimited Tomorrow

一位少年引发的医学革命

当年,伊斯顿·拉查佩尔 (Easton LaChappelle) 决定打造一只功能齐全的假手时,年仅 14 岁。拉查佩尔在科罗拉多州的山中小镇曼科斯长大,他所在的八年级只有 23 个人。百无聊赖的他对机器人技术如痴如迷,很快就超出了学校所传的知识范围。“我开始窝在卧室,通过网络自学所需的机器人技术,”拉查佩尔说。

拉查佩尔决定制作一只遥控机械手,以此证明自己对机器人技术的热爱。他使用所有能找到的东西,如钓鱼线、乐高积木、绝缘胶带、挡风玻璃刮水器的电机等,拼凑了一个像电视剧主角马盖先的东西,并花了九个月的时间不断试验,但可惜屡试屡败,用他的话说,“败得很惨。”

最终,拉查佩尔做出了一只原始的机械手,但直到 16 岁生日时,他才开始改进设计,而这为他希望渺茫的未来确定了努力方向。当时,他买了一台廉价的激光切割木料 3D 打印机,开始昼夜钻研。他改进了机械手每根手指的灵活度和大拇指,然后继续造了前臂、肘部和肩部,最终做出了一条完整的手臂。

拉查佩尔带着自己的机械手臂参加了多个科学展会,从此声名大噪。拥有一只像变形金刚那样可以扔球和握手的手臂,比起司空见惯的火山爆发,更能引人注目。很快,拉查佩尔就进入美国国家航空航天局 (NASA) 实习。时任总统奥巴马在白宫和他的机械手臂握手。不久之后,拉查佩尔开始在世界各地发表主题演讲。

突如其来的灵感来源

这一切发生在 2013 年,尽管对于一个小镇少年而言,媒体的赞扬是令人陶醉的,但是当年一个不经意间的小事对拉查佩尔产生了巨大影响。他回忆道,“当时是在科罗拉多州的科学展会上,我注意到一个小女孩在试验我这个机械手臂的手指灵活度。我意识到她戴着一个假肢。那是我第一次在人身上看到那种技术。”

拉查佩尔和那个女孩及她父母攀谈起来,了解她的假肢是如何使用的。了解到的情况既令他非常灰心,但又深受启发。“我当时了解到,她的假肢竟然花了 8 万美元,而上面只有一个夹持装置,而且很快就会被淘汰,因为需要一年时间才能制成。我想,‘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,那也是我的顿悟之刻。”

这件事之后一个月,拉查佩尔受邀在科罗拉多州丹佛市发表科技、娱乐和设计 (TEDx) 演讲。在谈到经济实用的个性化假肢的前景时,拉查佩尔受到了全场观众起立鼓掌的肯定,并收到了著名励志演讲家和人生导师托尼·罗宾斯 (Tony Robbins) 的电话。拉查佩尔回忆说“他对我说,‘我在心理上帮助了世界各地的很多人,我还一直希望能在身体上帮助他们,而你成功地做到了这一点。’”2014 年 2 月,在拉查佩尔 18 岁生日两个月后,罗宾斯提供启动资金成立了 Unlimited Tomorrow 公司。

Unlimited Tomorrow 的追求与挑战

拉查佩尔很快得知,虽然他的机械手臂很先进,但是必须继续改进创新,才能颠覆手臂假肢市场,特别是对那些他想帮助的患者:和那个给予他灵感的七岁女孩一样的孩子们。

第一个问题是,拉查佩尔制造的手臂重达八磅。一个普通儿童手臂假肢的重量在两磅半到四磅之间,但即使这样对许多孩子来说也太重了。“一个令人无奈的统计结果是,半数拥有手臂假肢的人都不穿戴假肢,” Unlimited Tomorrow 的业务开发副总裁肖恩·琼斯 (Sean Jones) 说。

此外还有时间问题。儿童因成长而更换假肢的速度几乎和换鞋子一样快。有些人在成年之前会用掉四五个假肢,总价在 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,当儿童拿到新手臂时,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。第三个障碍当然是降低假肢的高昂费用。但是,拉查佩尔和他的工程团队还面临着一个同样重要的难题,即为年轻用户提供一款穿戴舒适的假肢,不仅要功能实用,还要感觉舒适。琼斯表示,“对一些儿童来说,手臂假肢的作用是功能上的,他们想做以前无法做的事情。“而对另外一些儿童来说,手臂假肢的作用是心理上的,他们只是想戴上。我们很早就意识到,我们需要发明一款个性化的假肢,尽量与儿童的对侧手臂相匹配。”

颠覆儿童假肢行业

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,比普通的儿童手臂假肢轻了三磅。TrueLimb 假肢可为每位用户进行个性化定制,甚至可以精确到粗细、肤色和指甲。其价格为 8000 美元,远远低于传统假肢。而最令人惊讶的是,儿童在几周内就能拿到 TrueLimb,甚至无需走出舒适的家门。

拉查佩尔及其团队是如何迅速颠覆假肢行业的?答案是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 直达消费者的方案始于客户的家,也终于客户的家。该公司会向用户寄送一个 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用于匹配。用户可在 450 种肤色中选择,然后将信息发回公司。之后,Unlimited Tomorrow 3D 打印出 TrueLimb 并寄送给用户,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

尽管 TrueLimb 的成功要归功于一系列技术,其中最重要的是专有的肌肉传感技术,可赋予用户多种抓握功能和单手指控制能力,但同时,增材制造技术也同样不可或缺。拉查佩尔说,“自从在卧室使用那台廉价打印机以来,我一直在用 3D 打印技术超越极限。多年来,我们尝试了各种机器,但是一直未能找到足够坚固耐用,又足够个性化、能够贴合用户需求的机器。”

引进惠普多射流熔融 580 彩色 3D 打印机。拉查佩尔表示,“我们是美国第一家收到 580 的公司,我们在这些机器上走过的路可能比世界上任何人的都要多。这款机器能帮助我们实现材料强度和色彩精度的完美结合。”

解决最重要的接受腔问题

尽管有各种先进技术加持,Unlimited Tomorrow 当时仍面临一大技术挑战,影响着它扩大 TrueLimb 市场规模的能力。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灵活度的传感器,而且决定着假肢的舒适与否。

但是 Unlimited Tomorrow 的工程师们很难设计出用户所需的量身定制般的接受腔。首席机械设计工程师马特·兰多尔法 (Matt Landolfa) 表示:“在以前的流程中,我们会先对用户的残肢进行 3D 扫描,再上传到 CAD 工具中,将其和通用的接受腔模型进行结合。然后,我们再用另一个软件将这个通用模型转变为扫描结果。这个过程很慢,而且很难修改结果。我们经常需要返工重做,而且无法保证下一次准能成功。”

鉴于 Unlimited Tomorrow 现有和未来的客户量,减少测试用接受腔的数量对于扩大业务规模至关重要。他们需要能够帮助高效制作个性化接受腔的软件。

拉查佩尔对市场上是否有这种能解决他们问题的软件心存疑虑。后来他碰巧在一次会议上遇到了西门子公司的一位高管。拉查佩尔回忆说,“我们安排了和 NX 产品工程团队进行面谈,在第一次见面时,我就对他们说,‘听我说,我认为 NX 或任何其他 CAD 软件包都帮不了我们。我们需要的东西真的非常非常难找。’”

NX 是 Siemens Digital Industries Software 旗下综合性、集成式软件和服务 Xcelerator™ 产品组合的一部分。

在接下来的几个月里,西门子的工程师们证明了拉查佩尔是错的。西门子的咨询顾问与 Unlimited Tomorrow 工程团队合作,利用“NX™ 产品模板工作室”软件开发了一个解决方案。新的解决方案将自动化优化和基于规则的参数化设计相结合,使兰多尔法团队能够更好地控制接受腔的几何形状。

据兰多尔法说,新的接受腔设计工作流程取得成功的一个关键因素,是几何形状的高度吻合。“由于解决方案全部在一个系统中,如果需要调整,我们不必像以前那样重启程序。”

该系统的简单性对 Unlimited Tomorrow 的业务尤为重要。随着他们扩大规模,满足不断增长的需求,他们计划不再让工程师用 NX 进行临床监督,而改由临床医师来操作软件。

但是,新的 NX 方法对接受腔开发过程带来的最大优势,是其实现的质量水平和一致性。拉查佩尔说,“由 NX 推动的接受腔开发过程在公司上下引起了巨大连锁反应。目前,我们正在拓展该软件的应用范围,进一步实现流程优化和自动化。”

NX 增材制造的额外优势

NX 在个性化扫描到打印应用方面的能力,并非 Unlimited Tomorrow 从该软件获得的唯一优势。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。对兰多尔法来说,NX 的影响是不言而喻的:“ 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。利用我们的旧版软件,可以看到 3D 打印中仍有很多小平面,但是使用 NX 则不会出现这种情况。它的几何形状非常精确,外观更加逼真。”

这一点不仅体现在 TrueLimb 的接受腔上,还延伸到了上臂假肢的所有其他部件上。Unlimited Tomorrow 正在将所有部件的设计转移到 NX 环境中。同时,他们也在探索 NX 的自动化嵌套功能。拉查佩尔表示,“我们正在迅速扩大规模。在实现目标之前,我们需要优化 HP580 的生产能力,而这正是自动嵌套发挥作用的地方。”

Unlimited Tomorrow 的广阔前景

Unlimited Tomorrow 未来将会怎样?已于 2020 年底年满 25 岁的拉查佩尔有着雄心勃勃的目标。他说,“七年前,当我独自在卧室里制造第一个机器手臂的时候,如果有人对我说,我会取得今天的成就,我绝不会相信。如今,在经历了这一切之后,我更在意的是我们将来会有何成就。我们一直在问一个基本的问题:‘我们如何建立一家能够改变全球 4000 万截肢患者生活的企业?’”

“这是我们的远大目标。而这意味着要大幅提高运营规模。在这一过程中,我们离不开 3D 打印技术和增材制造软件的帮助。”

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quotation marks 由 NX 推动的接受腔开发过程在公司上下引起了巨大连锁反应。目前,我们正在拓展该软件的应用范围,进一步实现流程优化和自动化。 Easton LaChappelle, 创始人兼首席执行官 Unlimited Tomorrow