OpenBCI 如何透過 3D 列印將腦波轉化為現實

十年前，當 Formlabs 創辦人興奮地發布 Form 1+ 時，另一位創辦人也在設想一種可以將想法轉化為物理現實的工具。

康納·魯索曼諾 (Conor Russomanno) 希望找到一種繪製思維圖的方法，將腦力轉化為我們通用的現代語言——電腦程式碼。但繪製一個尚未被充分探索的世界，更不用說分類和編纂，需要多年的密集測試、研究和協作。

OpenBCI 最近宣布他們的商業可交付產品 Galea 已準備就緒。 OpenBCI 團隊利用了一個令人難以置信的開源協作者關係網路來進行軟體開發，以實現這一里程碑。但為了跟上軟體開發的步伐，團隊必須找到合適的硬體解決方案。 Form 3 和 Form 3L 雷射光固化 (SLA) 列印機幫助他們繪製思維圖，並創建了可以將腦電波轉化為行動的 Galea 頭戴式顯示設備。 Galea 的可能性幾乎是無限的 —— OpenBCI 已經與各行業的創新者合作，從生物醫學研究到消費品製造等等。

有目的地建構工具

多年來，即使是最先進的醫學研究人員也使用某種形式的腦電圖感測器連接成頭盔狀，以從大腦收集數據。但沒有任何工具可以從整體上觀察系統並將腦電波置於身體的背景中。

Russomano 和 OpenBCI 團隊開始嘗試測量大腦電波的方法，同時使用生物感測放大器來獲取心率、皮膚溫度、眼球運動等數據。「透過將多模態感測器系統與擴增實境和虛擬實境的沉浸感相結合，Galea 為研究人員、開發人員和創作者提供了一個強大的新工具，用於理解和增強人類的思想和身體，」 Russomano 說。

Galea 的前身是 Ultracortex 和 Cyton，這兩種生物感測產品在世界各地需要獲取此類資訊的國家和社區中使用。 OpenBCI 的使命始終包括開源元件，以便共享資訊、免費指導和持續協作可以推動創新向前發展。

TED 合作：Christian Bayerlein 的貢獻

▲Christian Bayerlein 和 Conor Russomanno 正在研究 NeuroFly（照片：Björn Lubetzki）

此次合作的成果之一是 OpenBCI 與德國技術專家和殘疾人權利活動家 Christian Bayerlein 之間的合作，他們在 TED2023 會議上共同展示了一些真正引人注目的東西。

利用 Open BCI 的 NeuroFly 技術和早期版本的 Galea 硬件，Bayerlein 使用「數位操縱桿」駕駛無人機，該操縱桿收集 Bayerlein 全身殘餘肌肉活動的數據，並將其轉換為無人機的電氣命令。

Bayerlein因患有脊髓性肌肉萎縮症（SMA），這是一種影響控制隨意運動的運動神經元的遺傳性疾病，他說：「我認為這是體驗自由和獨立感的一種方式，而這種感覺常常受到我的殘疾的限制。我一直對航空和在空中翱翔的感覺著迷，能夠利用我的大腦信號駕駛無人機是一次令人難以置信的經歷，我永遠不會忘記。」

人性化的硬體開發面臨困難

▲OpenBCI 技術在各產業都有應用； Galea 幾乎可以用於我們與數位世界之間的任何互動——當今社會中這種關係幾乎是恆定的。

儘管數據分析和 Galea 介面的許多其他組成部分可以透過世界各地的人們的開源軟體來完成，但 Galea 介面的核心是結合虛擬世界和物理世界。因此，OpenBCI 的機械工程師 Blake Larkin 必須找到一種可以創建新型產品的工具，這種產品可以每天迭代，並且足夠準確，可以記錄電氣資訊中最小的變化，同時用於不同形狀的物件和尺寸。

2022 年加入 OpenBCI 後，Larkin 在 Formlabs 列印機不斷迭代的過程中添加了這些列印機——首先是 Form 3，然後是 Form 3+，現在是桌面和桌上型 SLA，包括 Form 3L、Wash L 和 Cure L。「列印機非常棒。『直接印出來』這句話不僅僅是人們說說的，」Larkin說。

OpenBCI 數據的品質以及整個介面的品質取決於生物感測器測量大腦和身體輸出的能力。每個測試儀頭戴式顯示設備都必須針對測試對象的獨特解剖結構進行調整，不斷迭代以達到可針對不同頭部形狀進行調整的設計，並持續測量多個輸入而不會中斷或干擾。

「當你試圖創造出適合所有類型的人的東西時，你必須對一切進行真正的微調，這就是3D 列印顯示其最大優勢的時候——改變毫米的能力——每個人都以不同的方式而異，」Larkin 說。

Form 3L 使他們能夠製作人體規模的原型，並提高迭代速度，即使是較大的列印件。「我們需要將許多組件連為一體，例如面罩。在 Form 3L 上，您可以更好地控制大型零件的列印方向。」Larkin說道。

由於這些零件將用於 Galea 的早期生產運行，因此卓越的表面光潔度非常重要，並且層紋、支撐標記或其他視覺缺陷不能成為最終零件的一部分。 Form 3L 的大成型體積意味著 Larkin 可以優化零件佈局，以實現最光滑的表面光潔度並避免額外的後處理。「Form 3L 節省了大量時間，簡化了後處理，我們可以獲得外觀完美的零件。就我們所使用的材料而言，我認為沒有人能夠看出最終部件是 3D 列印的。

材料範圍為製造提供信心

▲Larkin 將類PP樹脂用於需要讓電線和電纜反覆滑動的高摩擦零件。這些組件具有複雜的內部幾何形狀，可防止電線和電纜鬆脫。

Galea 頭戴式顯示設備由多個具有不同用途的組件組成，例如緩衝、將頭戴式顯示設備固定在頭部或用作感測器框架。這些組件都必須順利組裝在一起，並且許多組件必須是可調節的，需要不同程度的剛度、靈活性或強度。Larkin 必須嘗試多種材料，有時每天都要在物品和樹脂之間切換。

豐富的 Formlabs 材料目錄和 Form 3 系列平台使嘗試新製程和樹脂成為可能。「我們不必在材料特性本身上妥協。高韌性1500 樹脂、高韌性 2000 樹脂、透明樹脂、類PP樹脂、柔性 80A 樹脂，它們都在使用中。透過 SLA，您可以選擇不同的材料屬性，這很重要，」Larkin 說。

使用類PP樹脂幫助他們開發了頭戴式顯示設備的皮帶組件，並使 Larkin 能夠快速迭代並避免複雜的多步驟流程。

「如果我無法 3D 列印這條皮帶，我必須結合不同的製造方法 - 購買平板塑膠、切割、連接和測試。如果我們投入生產，我對它與成品材料完美匹配的信心就會降低。 Formlabs 的一個很酷的地方是您可以更接近製造工作流程，因此您對測試階段更有信心。」－Blake Larkin，機械工程師

用於泡棉模具的 3D 列印快速模具


▲透明樹脂模具使 Larkin 能夠監控原始矽膠材料的射出情況，並確保其在加壓過程中均勻地分佈在整個模具中。	▲3D 列印快速模具可以縮短迭代時間，並為小批量最終用途生產提供解決方案。

對於頭戴式顯示設備上的一個緩衝組件，團隊想要嘗試不同種類的泡棉材質。通常價格便宜且廣泛使用，訂購泡棉很容易 - 除非您不確定哪種類型最適合您的應用。在鎖定單一製造商或泡棉類型之前，團隊使用 Form 3L 和透明樹脂設計了自己的工具。 Larkin 列印了一個由兩部分組成的模具，然後注入原始 30A 蕭氏硬度矽膠來製作母版，然後用矽膠泡棉進行精加工。 Larkin 小心翼翼地處理支撐連接點和通風孔，能夠創造相當長的直徑 1 毫米的通風孔。「這在 FDM 列印機上基本上是不可能的，而透明樹脂很有幫助，因為您可以更好地了解通風口、支撐和曲線的位置，」Larkin 說。

能夠為其他材料進行 3D 列印工具並將整個工作流程保留在內部，有助於團隊專注於頭戴式顯示設備設計，而不會陷入供應商物流、報價、交貨時間和物流的泥潭。

「這很棒，因為您不僅可以更改零件的形狀，而且當您將 3D 列印與其他工作流程結合時，您可以創建具有一系列材料屬性的多功能幾何形狀。透過內部 3D 列印，我節省了兩個月的時間。理論上我可以列印無限的模具，然後決定保留該工作流程或外包以獲得更高的產量，」Larkin說。

內部 3D 列印帶來的設計彈性和供應鏈保護意味著 OpenBCI 可以繼續其超負荷的開發計劃，即使全球流行病、原材料短缺或物流故障會威脅到另一家公司。由於他們的開源軟體開發社群在世界各地不斷工作，他們的硬體開發必須跟上步伐並避免成為瓶頸。透過內部 3D 列印，他們可以隨手製作任何所需的東西，將雷射聚焦於產品而不是製造過程。

類PP樹脂皮帶導軌


▲3D 列印可實現複雜的幾何形狀，例如內部通道，可在不完全限制移動的情況下保持電線安全。	▲對於具有高摩擦力的部件（例如此皮帶導軌），類 PP 樹脂是完美的選擇：它使皮帶能夠平穩地前後滑動，而不會在內部通道上卡住或鉤住。

將傳統製造的零件與3D 列印零件相結合並不總是那麼容易，但 Larkin 和團隊可用的機械性能範圍意味著他們可以找到一種與皮帶順利相互作用的樹脂，最終通過CNC 或水刀切割製成過程。皮帶有助於調整頭戴式顯示設備的尺寸和貼合度，但需要一種引導固定裝置將其固定到位。此導軌具有內部特徵，內部通道形狀像沙漏，以確保皮帶不會意外移動。傳統的指南製造幾乎是不可能的。「我們無法用傳統製造方法用一個零件來製造它——一個形狀怪異的內部通道必須分成兩部分製成。這是我們必須重新考慮的另一件事，」Larkin說。

3D 列印提供了一種一體式製造這些導軌的方法，類PP樹脂為皮帶提供適量的「滑動」，以便在必要時前後移動。「我們不必太擔心我們將如何做到這一點。我們可以真正專注於設計。任何具有移動表面的東西，我們都用類 PP 樹脂製成，」Larkin 說。

用於耳夾的肌膚安全高韌性1500 樹脂


▲高韌性 1500 樹脂經認證對皮膚安全，適用於穿戴式裝置等應用，包括這款從配戴者耳垂取得生物辨識資料的耳夾。	▲這些零件需要具有高尺寸精度，以便與現有的生物識別測量組件配合並充當多件式電氣組件。

高韌性 1500 樹脂的皮膚安全認證為團隊創造了直接與使用者皮膚接觸的最終用途組件提供了機會。測量耳垂心率的耳夾組件有一個微型紅外線感測器，這是 Larkin 修改後添加接地功能的現成組件。他取下後半部並列印了一個新的配合組件以將設備接地。「材料的可變性非常有幫助。一旦您擁有了一台機器，與重新裝備某些東西相比，嘗試新材料的成本可以忽略不計，因此我們嘗試了高韌性 1500 樹脂，因為它對皮膚無害，」Larkin 說。

產量和Galea的未來

▲Larkin 使用多種樹脂在 Form 3+ 和 Form 3L 上小批量列印多個零件，包括用於皮膚安全零件的高韌性 1500 樹脂和高摩擦零件的類PP樹脂。

Russomamno 在每年於芬蘭赫爾辛基舉行的 Slush 會議上首演了 Galea。 Galea 頭戴式顯示設備的首次生產將具有多個 3D 列印組件，以便 OpenBCI 能夠保持響應能力並在獲得更多反饋後更改其設計，而無需將資源投入昂貴的工具中。

借助 Form 3+ 和 Form 3L，Larkin 和 OpenBCI 硬體團隊可以進行微小的調整，從而在捕獲和分析高品質資料方面取得重大改進。 3D 列印使團隊能夠專注於組件及其功能的設計，而不是它們成型的容易程度或它們應該預測的數量。

「這是我們戰略的一部分。我們不必說，『現在我們有了設計，讓我們花三個月的時間再次進行射出成型，』」Larkin 說。「我們可以完全專注於設計和測試。」

預測需求和計算工具成本可能成為創新的障礙。 3D 列印和開源軟體使 OpenBCI 能夠克服這些障礙，專注於設計可能改變生活的裝置。他們獨特的開發和生產模式將有助於快速追蹤生產，並將 Galea 交到可以繼續改進產品的協作用戶手中。