複合材料在輔助科技上的應用

馬千里

複合材料在醫療器材產業上已有多種不同的應用，好比包材、醫療用軟管與面罩、內視鏡外壁管路、一次性檢測儀器、乃至於植入體內的複合材料網膜、假體等[1]。而醫療器材中還包含了幫助身障者所需的輔助科技，這些輔助科技（Assistive Technology）可以提高身障人士的生活品質，並降低身障者的日常生活障礙門檻。複合材料在輔助科技的裝置上，發揮了重要的作用。本文將從複合材料的特性如何適用於輔助科技領域，哪一些輔助科技可以透過複合材料的改進而適合身障者使用，並現行複合材料如何協助輔助科技的發展來探討複合材料在輔助科技上的應用。

輔助科技是可以協助障礙者在功能上的進步、維持、或優化，在學習、工作、或生活領域中使用的產品、儀器、或系統，其中包含軟體、硬體物件、或整套系統[2, 3]（Figure 1）。而複合材料相比於傳統材料（金屬、木材、陶瓷等），在重量、物性化性、耐用度、製程、成本等更具有應用的優勢。

複合材料應用之優勢：

使用複合材料在輔助科技有以下幾項優勢：

1. 複合材料的多功能性：複合材料可以製作出更複雜形狀的產品，且通常較為輕巧，在製作成本上通常較傳統材料效益更高，在製作上也較能配合設計，以滿足不同身障需求與類型[4]。
2. 改善行動性：複合材料在降低重量與體積上有一定的優勢，以助行器、輪椅、柺杖等為例，使用輕便且堅固的材料可以在不減損其承重的狀況下，使得這些裝置更容易攜帶。有助於使用者更願意出行或參與各式活動。
3. 舒適性與功能性的義肢矯具：複合材料在義肢矯具領域有很大的優勢，提供了相較於堅硬傳統材質更舒適且具功能性的選項。將柔軟的材料整合在義肢中，可以提高舒適度，改善活動能力，並減少對肌膚的刺激。而應用複合材料的彈性還可以製作出較為省力的義肢。除此之外，利用3D列印技術，還可以快速製作出客製化的暫時性承筒，也可以降低訂製成本。
4. 感官增強裝置：對於一些感官障礙者的輔助科技裝置，複合材料在觸覺感應、點字顯示、或助聽器等裝置發揮了重要的功能。複合材料可以製作成更精細的形狀、更輕量化的配戴裝置、或更符合人體工學的設計。可以讓使用者在配戴上降低不適感，提高使用頻率與適用性。
5. 耐久性與防水性：因身障者在使用輔具上可能會有不同的情況，比如雨天或潮濕環境使用，又或者可能會面對偶發事故的衝擊與撞擊。而多數複合材料具有相應之物性與化性可以對抗不同情況下的損耗，而延長使用壽命。

複合材料應用之案例：

藉由上述之優勢，以下有幾個例子可以證明輔具在應用複合材料後，提升輔助科技之發展。

1. 輕量化助行器或拐杖：多數拐杖會使用鋁合金或者木頭等，然而有些會使用玻璃纖維或碳纖維作為主幹部分。而底部會使用不同造型的橡膠作為緩衝材質，握把則多數使用PVC、ABS等材質搭配EVA 發泡材讓使用者更舒適的握持。
2. 義肢矯具：義肢的本體可能為鈦合金或馬達機構組成，但在承筒（連接身體與義肢間的承接處）的內裡、包覆材料上，多數都使用不同的複合材料。好比利用EVA發泡材或氯丁橡膠等，而承筒一般分為樹脂灌膠、PP、碳纖維包覆等。而矯具像是踝足固定板（AFO）就會使用PP、EVA、碳纖維等，有專門研究不同型態或不同方向性的碳纖維AFO (Figure 3)可以節省使用者施力與減緩疲勞等。
3. 輪椅：輪椅的重量與操控性大大影響了輪椅族與其家人出行的意願與可能性。因此輪椅的輕量化一直是輪椅廠商的重點。而複合材料提供了輪椅輕量化的最佳解方。雖然全碳纖維輪椅是一個賣點，配重依然會是廠商需要注意的部分。在成本考量上，輪椅的承重、骨架、輪框、輪子 (Figure 2)、把手等，許多不同的複合材料仍是輪椅廠商可以考量使用的選擇。

複合材料應用之未來發展與實用性：

然而輔助科技還有許多正在發展的可能性，透過複合材料或許可以進一步的研發。好比Soft Robot 的使用[5]，使用TPU、PE等材料作為穿戴的引導裝置，而為了機器輕量化，也用了大量的塑料作為骨架與關節連接處。而軟式機器人只是其中一種未來應用可能性，許多的複合材料可以被應用於現行輔助科技儀器尚未被滿足的部分，如結構的改進、輕量化的調整、與客製化的可能性等。

輔具可能被定義為醫療器材，好比醫療用助行器、電動輪椅、電動移位器等。但多數輔具被認定為增進協助生活便利性，因此不見得被認定為醫療器材[6]。因此在製程上，也不會受到醫療器材法規限定。輔具產業需要更多新材料的導入，而複材產業或許也可以思考投入輔助科技的製作與配合，共創雙贏。

Figure 1 輔助科技應用之範疇與相關疾病 [3]

Figure 2 碳纖維複合材料之輪椅特製輪 [7]

Figure 3 應用碳纖維之足踝固定器[8]

參考文獻

1. Administration, U.S.F.a.D., How to Determine if Your Product is a Medical Device. 2022.
2. Association, A.T.I. What is AT? 2023; Available from: https://www.atia.org/home/at-resources/what-is-at/.
3. Muthu, P., et al., Discernment on assistive technology for the care and support requirements of older adults and differently-abled individuals. Frontiers in public health, 2023. 10: p. 1030656.
4. Rudnik, E., Compostable polymer materials. 2019: Newnes.
5. Nassour, J., G. Zhao, and M. Grimmer, Soft pneumatic elbow exoskeleton reduces the muscle activity, metabolic cost and fatigue during holding and carrying of loads. Scientific Reports, 2021. 11(1): p. 12556.
6. 衛生福利部, 食藥署澄清說明有關輔具納入醫療器材管理乙事. 2023.
7. Ltd., J.P., Loopwheels Product Introduction. 2023.
8. Domeika, A., et al., Investigation of the ankle foot orthoses footplates stiffness. Mechanika, 2017. 23(6): p. 808-813.

作者資訊

馬千里 博士

國立成功大學奈米醫學研究中心