Промышленные применения AT & 3D решений для профессионалов

UNLIMITED TOMORROW

06.12.2021 Время чтения: 28 мин.
Сложность:
52 0 7

UNLIMITED TOMORROW

Программное обеспечение NX – революционное решение в дистанционной разработке индивидуальных протезов рук для детей 

г. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США

Компания Unlimited Tomorrow снижает стоимость традиционного протезирования на 90 %, повышает качество и ускоряет изготовление

В нашем старом программном обеспечении можно было увидеть грани на 3D-модели, но в NX вы их не увидите. Точная геометрия в  NX обеспечивает гораздо более реалистичную отделку. Мэтт Ландольфа (Matt Landolfa), ведущий инженер-механик компании Unlimited Tomorrow

Подросток начинает революцию в медицине

Истону Лашапелю (Easton LaChappelle) было 14 лет, когда он решил создать полностью функциональную руку.  Он жил в крошечном горном городке Манкос, штат Колорадо, и на тот момент он учился в восьмом классе, состоящем всего из 23 человек. Скучающий, любознательный и увлеченный робототехникой ученик, он быстро преодолел границы того, что ему могла предложить школа. «Я стал прятаться в своей спальне, выходить в Интернет и учиться всему тому, что мне нужно было знать о робототехнике», рассказал Лашапель.

Он решил, что создание дистанционно управляемой роботизированной руки станет подходящим испытанием для его увлечений. Собрав разномастную коллекцию бытовых предметов рыболовную проволоку, конструктор лего, электроизоляционную ленту, моторчики стеклоочистителей: все, что ему посчастливилось найти, он провел девять месяцев в неустанных пробах и ошибках, и, по его словам, «терпел серьезные неудачи».

В конце концов, Лашапель создал элементарную роботизированную руку, но только после своего 16-летия он начал совершенствовать ее конструкцию и прокладывать курс для своего маловероятного будущего. Именно тогда он купил дешевый 3D-принтер для лазерной резки по дереву и начал работать на нем круглосуточно. Он усовершенствовал движение отдельных пальцев руки и противопоставленный большой палец. Затем он перешел к предплечью, локтю и плечу, пока у него не получилась полноценная рука.

Лашапель представил свою роботизированную руку на нескольких научных выставках, и тогда ему крупно повезло. Рука, похожая на руку трансформера, которая могла бросать бейсбольный мяч и пожимать руки, привлекала чуть больше внимания, чем обычный взрывающийся вулкан.  Вскоре Лашапель попал на стажировку в НАСА. Затем президент Барак Обама пожимал его роботизированную руку в Белом доме. Спустя какое-то время Лашапель стал путешествовать по миру, выступая с программными речами.

Неожиданный источник вдохновения

Все это случилось в 2013 году, и каким бы громким ни было признание СМИ для подростка из маленького городка, в том году на Лашапеля оказало наибольшее влияние нечто менее грандиозное. «Я был на научной выставке штата Колорадо», вспоминает он, «когда заметил маленькую девочку, изучающую движения пальцев моей роботизированной руки. Я понял, что она носит протез. Это был первый раз, когда я увидел кого-то с подобной технологией».

Лашапель начал беседовать с девочкой и ее родителями, чтобы выяснить, как работает ее протез. То, что он узнал, одновременно обескуражило и вдохновило его. «Я узнал, что ее протез стоил 80 000 долларов, имел только щипковое устройство и скоро станет немодным, потому что на его создание ушел год. Я подумал: «Этого не может быть; я сделал свою руку за 300 долларов в своей спальне». Для меня это было неприемлемо. И тут на меня снизошло озарение».

Через месяц после этого момента Лашапеля пригласили выступить с докладом в рамках серии выступлений на тему «Технологии, развлечения, дизайн» (TEDx) в Денвере, штат Колорадо. Рассказывая о перспективах доступного, индивидуального протезирования, Лашапель вызывал овации публики и получил звонок от известного мотивационного оратора и лайф-коуча Тони Роббинса. «Он сказал мне: «Я помогаю людям по всему миру в психологическом плане», вспоминает Лашапель. «Я всегда хотел помочь им физически и вы тот человек, который может это сделать». В феврале 2014 года, через два месяца после 18-летия Лашапеля, Роббинс предоставил ему стартовый капитал для запуска компании Unlimited Tomorrow.

Задачи и вызовы для Unlimited Tomorrow

Лашапель быстро понял, что насколько бы ни была совершенна его роботизированная рука, ему придется поднять ее на новую высоту технического прогресса, чтобы произвести переворот на рынке протезирования конечностей, особенно для категории пациентов, которым он хотел помочь: детей, таких как вдохновившая его семилетняя девочка.

Во-первых, рука, которую создал Лашапель, весила восемь фунтов. Обычный детский протез руки весит от двух с половиной до четырех фунтов, и даже он слишком тяжел для многих детей. «Душераздирающая статистика такова, что половина людей, имеющих протез руки, не носят его», рассказал Шон Джонс, вице-президент по развитию бизнеса компании Unlimited Tomorrow.

Кроме того, существует проблема времени. Дети вырастают из своих протезов рук почти так же быстро, как из обуви. Некоторые из них переживут четыре или пять протезов, прежде чем станут взрослыми и каждый стоит около 80 000 долларов. Процесс заказа и подгонки устройства может занять шесть месяцев; к тому времени, когда ребенок получает новую руку, он уже мог ее перерасти.

Снижение веса и ускорение разработки вот лишь два технических препятствия, которые пришлось преодолеть компании Unlimited Tomorrow. Снижение непомерно высокой стоимости протеза руки было, очевидно, третьим. Но перед Лашапелем и его командой инженеров стояла не менее важная задача создать устройство, которое юным пользователям было бы удобно носить не только из-за функциональности, но и из-за того, как они себя чувствуют. «Для некоторых детей протез руки имеет функциональное значение; они хотят делать то, чего не могли раньше», объясняет Джонс. «Для других ― психологическое; они хотят вписаться в общество. Мы рано поняли, что нам нужно создать индивидуальный протез, который бы максимально соответствовал руке ребенка».

 

Переворот в индустрии детского протезирования

В 2019 году компания Unlimited Tomorrow представила TrueLimb ― первый в данной отрасли легкий и доступный мультиартикуляционный протез конечности с реалистичным внешним видом. Устройства TrueLimb весят 1,1 фунта, что на три фунта легче, чем стандартный детский протез руки. Их подбирают индивидуально для каждого пользователя, вплоть до размера, цвета кожи и ногтей. При цене в 8 000 долларов они значительно дешевле традиционных альтернатив. И что, пожалуй, самое удивительное, дети могут получить TrueLimb за несколько недель, не выходя из дома.

Как Лашапелю и его команде удалось так резко и быстро совершить переворот в индустрии протезирования? Ответ заключается в объединении передовых технологий ― дистанционного 3D-сканирования, электронного зондирования и аддитивного производства.

Подход Unlimited Tomorrow «прямо к потребителю» начинается и заканчивается в доме клиента. Компания отправляет клиенту 3D-сканер; друг или член семьи помогает выполнить 3D-сканирование культи и предоставляет фотографии противоположной руки для сравнения; клиент выбирает один из 450 различных оттенков кожи, а затем отправляет информацию обратно в компанию. После этого компания Unlimited Tomorrow печатает протез TrueLimb в 3D и отправляет его пользователю, который получает готовый продукт в пять раз быстрее, чем при традиционном процессе.

Ценность аддитивного производства

Хотя для успеха TrueLimb очень важны многие технологии ― не в последнюю очередь запатентованная технология мышечного зондирования, которая обеспечивает пользователям многофункциональность захвата и индивидуальный контроль пальцев, ― аддитивное производство оказалось равно необходимым. «Я расширяю возможности 3D-печати с тех пор, как у меня в спальне поселился дешевый принтер», ― объясняет Лашапель. ― «За прошедшие с тех пор годы мы перепробовали множество машин, но все никак не могли найти такую, которая была бы достаточно прочной, чтобы выдержать использование пациентами, и достаточно индивидуальной, чтобы вписаться в интерьер».

Появился цветной 3D-принтер HP Jet Fusion 580. «Мы были первой компанией в США, получившей принтер 580», ― говорит Лашапель. ― «У нас, наверное, больше пробега на этих машинах, чем у кого-либо в мире. Он дает нам идеальное сочетание прочности материала и точности цвета».

Решение важной проблемы с гильзами

Несмотря на все передовые технологии, которые компания Unlimited Tomorrow свела воедино, она столкнулась с одной технической проблемой, которая поставила под угрозу ее способность масштабировать TrueLimb для своего рынка. Самым важным компонентом протеза руки является гильза, которая крепится к культе человека. Она не только содержит датчики для активации движений руки, но и играет решающую роль для комфорта протеза.

Инженеры компании Unlimited Tomorrow испытывали трудности с разработкой гильз для индивидуальной посадки, в которой нуждались их пользователи. Мэтт Ландольфа, ведущий инженер-механик, объясняет: «В нашем предыдущем рабочем процессе мы получали 3D-скан культи пользователя, загружали его в CAD-инструмент и объединяли со стандартной моделью гильзы. Затем мы использовали другое программное обеспечение для приведения стандартной модели в соответствие со сканом. Процесс был медленным, и его результаты было трудно изменять. Часто нам приходилось переделывать процесс без гарантии, что в следующий раз все получится».

Учитывая количество клиентов, которое имела и планировала привлечь компания Unlimited Tomorrow, сокращение количества тестовых гильз было критически важным для масштабирования бизнеса. Компании требовалось программное обеспечение, которое помогло бы ей более эффективно производить индивидуальные гильзы.

Лашапель скептически относился к тому, что на рынке может существовать программное обеспечение, способное решить их проблему. Затем на одной из конференций он случайно встретился с руководителем компании Siemens AG. «Мы назначили встречу с командой разработчиков продукта NX», ― вспоминает Лашапель, ― «и во время первого же разговора я сказал им: «Послушайте: Я не думаю, что NX или любой другой пакет CAD может нам помочь. То, что мы просим, ― очень, очень сложно»».

NX входит в состав портфеля Xcelerator™, комплексного и интегрированного портфеля программного обеспечения и услуг от компании Siemens Digital Industries Software.

В течение следующих нескольких месяцев инженеры Siemens доказали, что Лашапель ошибается. Работая с командой инженеров Unlimited Tomorrow, консультанты Siemens разработали решение с использованием программного обеспечения NX™ Product Template Studio. Новое решение сочетало автоматизированную оптимизацию с параметрическим проектированием на основе правил, что позволило Ландольфе и его команде получить гораздо больший контроль над геометрией гильз.

По словам Ландольфы, одним из ключевых факторов успеха нового рабочего процесса проектирования гильз является ассоциативность геометрии. «Поскольку решение находится в одной системе, если у нас есть настройка, которую мы хотим внести, нам не нужно перезапускать процесс, как это делалось раньше».

Простота системы особенно важна для бизнеса Unlimited Tomorrow. По мере расширения масштабов производства, чтобы удовлетворить растущий спрос, они планируют отменить существующий клинический надзор за инженерами, использующими NX, и вместо этого поручить врачам управлять программным обеспечением.

Однако самым большим преимуществом нового подхода NX к процессу разработки гильз является уровень качества и согласованности, который он обеспечивает. «Процесс разработки гильз с использованием NX действительно вызвал волновой резонанс на всех уровнях компании», ― утверждает Лашапель. ―  «Мы расширяем возможности программного обеспечения для дальнейшей автоматизации и улучшения нашей работы».

Дополнительные преимущества NX Additive Manufacturing

Возможности NX для персонализированных приложений сканирования и печати были не единственным преимуществом, которое Unlimited Tomorrow получила от программного обеспечения. Программное обеспечение NX Additive Manufacturing тесно связано с 3D-принтерами HP и настроено на промышленное аддитивное производство. Для Ландольфы влияние NX ощутимо: «NX обеспечивает гораздо более плавный выход продукции из HP 580», ― утверждает он. ― «Мы стремимся предоставить нашим клиентам продукцию TrueLimb, которая выглядит естественно и эстетично. В нашем старом программном обеспечении можно было увидеть грани на 3D-модели, но в NX они отсутствуют. Точная геометрия в NX обеспечивает гораздо более реалистичную отделку».

Это касается не только гильзы TrueLimb, но и всех остальных компонентов протеза руки. Компания Unlimited Tomorrow находится в процессе переноса проектирования всех компонентов в среду NX. Кроме того, она изучает возможности автоматического раскроя в NX. «Мы стоим на пороге значительного расширения масштаба», ― говорит Лашапель. ― «Прежде чем мы этого добьемся, нам нужно будет оптимизировать пропускную способность наших HP 580 ― и вот тут-то нам и пригодится автоматический раскрой».

Многообещающее будущее Unlimited Tomorrow

Что ждет компанию Unlimited Tomorrow в будущем? У Лашапеля, которому в конце 2020 года исполнилось 25 лет, амбициозные цели. «Если бы семь лет назад, когда я один в своей спальне создавал первую роботизированную руку, вы сказали мне, что я достигну своих сегодняшних позиций, я бы никогда тому не поверил», ― говорит он. ― «Теперь, имея в кармане этот опыт, я гораздо более целенаправленно подхожу к тому, чего мы можем достичь. Мы всегда задаемся основополагающим вопросом: «Как мы можем построить бизнес, чтобы повлиять на жизнь 40 миллионов людей с ампутированными конечностями во всем мире?»

«В этом и заключается наша основная цель. И это означает значительное расширение области работ. Мы будем полагаться на такие технологии, как 3D-печать и программное обеспечение для аддитивного производства, чтобы они не отставали от нас на этом пути».