跌倒防護安全氣囊技術(shù)綜述與展望

屈純 楊威 余維維 姚俊

摘? 要 安全氣囊（Airbag）技術(shù)是汽車上普遍使用的一種防護技術(shù)，這一技術(shù)后來也被使用在了多個方面，例如騎行安全氣囊、馬術(shù)安全氣囊等，他們都是用來保護人體的安全。近年來，這一技術(shù)也被應(yīng)用在了人體跌倒防護上，跌倒防護安全氣囊是一種人體穿戴的氣囊產(chǎn)品，人體佩戴安全氣囊后若意外跌倒，氣囊可迅速充氣彈出形成緩沖，從而避免人體重要部位與地面產(chǎn)生硬接觸而損傷。本文總結(jié)了跌倒防護安全氣囊技術(shù)和產(chǎn)品在國內(nèi)外的發(fā)展情況，對其涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行對比，并探討了未來研究發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：跌倒? 防護? 穿戴式? 安全氣囊

中圖分類號：TH789? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0074-05

Abstract： Airbag technology is a common protection technology used in cars. This technology has been used in many ways， such as motorcycle airbag， equestrian airbag. They are all used to protect the human body. In recent years， this technology has also been applied to fall protection. Fall protection airbag is a kind of wearable airbag. If the user falls down accidentally ， the airbag can be inflated quickly to form a buffer， so as to avoid hard contact and damage between the body and the ground. This paper summarizes the development of fall protection airbag technology and products at home and abroad， compares its key technologies， and discusses the future research and development trend.

Key Words： Fall; Protect; Wearable; Airbag

跌倒防護安全氣囊是安全氣囊的一個細分領(lǐng)域，該技術(shù)源于汽車安全氣囊。跌倒防護安全氣囊系統(tǒng)一般主要由跌倒預(yù)測模塊、充氣模塊和氣囊等構(gòu)成，當?shù)诡A(yù)測模塊檢測到人體即將跌倒時，立即啟動充氣模塊對氣囊充氣，使氣囊在人體落地前打開形成對人體的保護，避免或減輕跌倒帶給人體的傷害。該技術(shù)是近年來發(fā)展起來的，且發(fā)展速度較快，也越來越受到人們特別是老年人等易跌倒人群的重視。而高安全性快速充氣技術(shù)是跌倒防護安全氣囊的關(guān)鍵技術(shù)之一，來實現(xiàn)快速給氣囊充氣，確保氣囊在人體落地前打開且不對用戶帶來危險和傷害。充氣技術(shù)的實現(xiàn)雖有多種途徑，但各有利弊，不僅需要考慮充氣速度，還應(yīng)將充氣模塊的體積、重量、穿戴舒適性，氣體溫度、氣體環(huán)保性、成本等因素綜合進來，以滿足消費者的高要求。

1? 人體穿戴的安全氣囊發(fā)展概況

人體穿戴的安全氣囊的產(chǎn)品已經(jīng)被應(yīng)用在了很多方面，如摩托車服裝生產(chǎn)商Dainese將安全氣囊技術(shù)引入摩托車服裝上，通過氣體發(fā)生器讓原本輕薄暗藏在服裝內(nèi)的氣囊能夠在突發(fā)狀況時變成氣囊服裝，增加用戶安全，隨便摔也不會痛。瑞典產(chǎn)品設(shè)計師Anna Haupt和Terese Alstin，設(shè)計了一款自行車手使用的衣領(lǐng)式氣囊，在騎車發(fā)生意外時，氣囊充氣形成一個頭盔來保護人體的安全。瑞士雪崩安全專家發(fā)明了一款雪崩安全氣囊，它被設(shè)計成背包的形狀，一旦遭遇雪崩等緊急情況，使用者只要輕輕一拉啟動繩索，氣囊就會自動充氣并攜帶其最終“漂浮”到雪面上。

而用于跌倒防護的安全氣囊與其他的穿戴式氣囊相比，有著共用的技術(shù)也有其自身的特點。他們共同的構(gòu)成都是充氣裝置和氣囊，但跌倒防護安全氣囊的特殊之處在于該產(chǎn)品需要對人體的跌倒進行準確的預(yù)測和識別。國外很早就有這方面的研究，日本的Prop公司對可穿氣囊的研究，且最初報道見于2009年，它的氣袋重1.1kg，像旅行者的腰包，當探測器發(fā)現(xiàn)穿戴者跌倒時，可以迅速打開氣囊，撐起整個軀干防止受傷。而法國的Helite公司研制出了一款用于髖部防護的腰帶氣囊，該產(chǎn)品曾在2018年1月的CES展會上展出，并已在歐洲市場銷售。其他有類似腰帶氣囊產(chǎn)品研究的國家還有美國ActiveProtective公司、荷蘭WOLK公司和以色列的Hip-Hope氣囊公司等。

我國對于跌倒防護的安全氣囊的研究，雖然起步較晚，但發(fā)展速度較快。目前多在高校和研究所進行，不過它們的研究多注重跌倒識別和預(yù)警，對于氣囊設(shè)計和充氣源并未涉及。對于跌倒防護安全氣囊全系統(tǒng)進行研究的國內(nèi)單位有深圳先進技術(shù)研究院、蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司和廣州市信安智囊科技有限公司，后兩者公司在2019年6月已有產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)上展示和銷售，他們的產(chǎn)品均是腰帶的形式，主要保護的人體部位是髖關(guān)節(jié);另外用于頭部防護的氣囊也在研制和測試中。

湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所也研制出了跌倒防護安全氣囊，主要用于老年人的髖關(guān)節(jié)防護;系統(tǒng)主要由跌倒識別模塊、充氣模塊和氣囊等3部分構(gòu)成[12]。氣囊囊體采用TPU材料，具備高張力、高拉力、耐老化和耐受性好的特點，整個氣囊經(jīng)折疊后布置在馬甲下擺處，穿戴輕薄舒適;充氣模塊采用壓縮氣瓶和刺針設(shè)計，執(zhí)行響應(yīng)時間快，氣囊可在極快時間內(nèi)完全展開并形成一定氣壓，提供緩沖。

2? 高安全性快速充氣技術(shù)的研究與方案對比

高安全性快速充氣氣源是跌倒防護安全氣囊的核心模塊之一，也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它負責(zé)接收信號后啟動產(chǎn)氣，并快速地將氣體充入事先折疊好的氣囊中，快速打開氣囊包裹住人體，形成緩沖。除此之外，高安全性快速充氣氣源對氣囊的充氣時間越短，預(yù)留給跌倒識別和預(yù)警的時間就越長，相對來講，跌倒預(yù)警的準確率會越高，誤報率也會顯著下降。

目前廣泛使用的氣源有3種類型：純儲氣瓶式氣體發(fā)生器、煙火式氣體發(fā)生器和混合式氣體發(fā)生器。比較三類氣體發(fā)生器優(yōu)缺點，具體如表1所示。純儲氣瓶式氣體發(fā)生器最突出的缺點是它一般由機械方式開啟，機械裝置體積大且重，穿戴舒適性差、響應(yīng)速度慢;而煙火式氣體發(fā)生器溫度高，存在潛在的風(fēng)險和隱患，需要包裹、隔熱處理后方可使用;混合式氣體發(fā)生器從目前技術(shù)來講是較優(yōu)的選擇，但由于生產(chǎn)流程和成本等因素，較難推廣。

在對上述三種氣體發(fā)生器技術(shù)及其方案對比后，各國的科學(xué)家將多種技術(shù)交叉使用和融合，以最大程度避免缺點突出優(yōu)點。法國Helite公司的氣囊產(chǎn)品采用火藥力推動刺針的方式打開壓縮氣瓶，對氣囊的充氣速度極快，時間僅為80ms，不但避免了純儲氣瓶式氣體發(fā)生器機械觸發(fā)困難的問題，還實現(xiàn)了安全快速充氣，但其觸發(fā)時伴隨有較大的聲音。日本科學(xué)家則是采用壓縮氣瓶，開啟采用火藥熔穿的方式，這對氣瓶封口片具有特殊的要求。

由上述分析可知，壓縮氣瓶已經(jīng)成為高安全性快速充氣氣源的普遍選擇，它具有氣體溫度低、氣體成分簡單、環(huán)保等優(yōu)點;但在氣瓶的開啟方式上，機械式開啟普遍被拋棄。火藥力和刺針結(jié)合的方式成為一種較優(yōu)的選擇，它只需要一個電信號脈沖即可觸發(fā)，刺針推力來自電火工品激發(fā)后在密閉容腔內(nèi)形成高壓高溫氣體，刺針在刺破氣瓶封片后再在氣瓶內(nèi)氣體的反向推力下回到原位，將瓶內(nèi)氣體釋放出來。在這一過程中，電火工品的激發(fā)能量要有合適的選擇，若能量不夠無法推動刺針刺破氣瓶，能量過大則可能帶來安全隱患。

3? 未來研究和發(fā)展趨勢

目前已投放市場的跌倒防護安全氣囊絕大部分是腰帶，主要用于人體髖關(guān)節(jié)的防護。未來跌倒防護安全氣囊的防護范圍將不僅僅局限于髖關(guān)節(jié)，可以拓展到更多的部位，以氣囊衣的形態(tài)，在人體頭部、頸部、肩背部等關(guān)鍵部位均設(shè)置氣囊，可實現(xiàn)對人體的全方位防護，這是近年來新產(chǎn)品研究發(fā)展的一個重點方向。

另外，隨著我國醫(yī)療大數(shù)據(jù)和健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來跌倒防護安全氣囊產(chǎn)品上可以集成更多的穿戴式健康數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，例如，血壓、心率的實時監(jiān)控等，實現(xiàn)對人體身體機能與健康狀況的隨時監(jiān)測和管理，并對他們未來的健康狀態(tài)進行預(yù)測，對人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣、飲食與運動提出指導(dǎo)和建議。

在高安全性快速充氣這一關(guān)鍵技術(shù)的研究方面，目前的各種氣體發(fā)生器技術(shù)和交叉使用的技術(shù)均存在一定缺點，在充氣速度、溫度適應(yīng)性、環(huán)保型、穿戴舒適性、觸發(fā)聲音等方面還未達到完美的結(jié)合。未來隨著材料、電子等技術(shù)的發(fā)展，適合人體穿戴的、綜合性能優(yōu)異的氣體發(fā)生器定會較快發(fā)展，該技術(shù)也會應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

4? 結(jié)語

由于國外極限運動的發(fā)展快，人體穿戴的安全氣囊在賽車、登山、馬術(shù)等運動防護領(lǐng)域已經(jīng)有了較大范圍的應(yīng)用，跌倒防護安全氣囊作為人體穿戴式的安全氣囊的一種，得到的關(guān)注也越來越多，社會需求也越來越明顯，這其中的一個重要原因就是全球人口老齡化的加劇，全球每年有500萬例因跌倒造成髖部骨折的案例，對老年人的健康造成了巨大威脅。全社會開始重視老年人跌倒的防護，由于氣囊比普通緩沖墊的防護效果更好，因此跌倒防護安全氣囊產(chǎn)品逐漸在全世界流行開來，法國的Helite已經(jīng)走在了世界前列，國內(nèi)的產(chǎn)品還剛剛起步，在高安全性快速充氣等關(guān)鍵技術(shù)的研究方面還需提升。中國的老齡化也正在加劇，科研工作者要以此為契機，攻克關(guān)鍵技術(shù)，加速大數(shù)據(jù)、人工智能的應(yīng)用，打造出更加先進、可靠的產(chǎn)品。

參考文獻

[1] 王妍衛(wèi).安全氣囊系統(tǒng)的構(gòu)成和技術(shù)發(fā)展[J].汽車與配件，2005（18）：36-38.

[2] 王國杰.基于慣性傳感器的跌倒防護氣囊系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[3] 張文龍，張寧，張艷，等.氣體發(fā)生器在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].飛航導(dǎo)彈，2018（7）：67-70.

[4] 王杰，胡兆燕，陳正龍，等.可穿戴式跌倒防護裝置充氣機構(gòu)的設(shè)計與研究[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2018，37（3）：291-296.

[5] 張培君.新穎獨特的摩托車安全氣囊[J].摩托車技術(shù)，2014（8）：73-75.

[6] 摩托車手專用安全氣囊問世[J].摩托車技術(shù)，2010（12）：76.

[7] 李忠東.瑞典工程師發(fā)明的超時尚的安全氣囊頸圈[J].中國自行車，2012（12）：78-80.

[8] 徐娜.自行車也有安全氣囊啦[J].生命與災(zāi)害，2011（3）：30-31.

[9] HuiqiLI，NINGYunkun，YANGJunfei，etal.TheResearchofWearableFallProtectiveAirbag[J].JournalofIntegrationTechnology，2018，7（2）：69-77.

[10] 張文龍，屈純，付文斌，等.穿戴式老年人跌倒防護氣囊系統(tǒng)設(shè)計[J].中國老年學(xué)雜志，2018，38（15）：3832-3836.

[11] TamuraT，YoshimuraT，TanakaO，et al.Awearableairbagtopreventfallinjuries[J].IEEETransInfTechnolBiomed，2009，13（6）：910-914.

[12] 老年人救星：帶有安全氣囊的腰帶[J].大數(shù)據(jù)時代，2018（2）：74.

[13] 潘峰.防老年人摔傷智能可穿戴裝置研究[D].濟南：山東大學(xué)，2018.

[14] 鐘志超.可穿戴實時跌倒檢測與保護系統(tǒng)的開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

[15] 趙芳，任澤斌.燃氣發(fā)生器應(yīng)用綜述[J].火箭推進，2019，45（3）：1-8.

[16] 廖天俊.煙火式與混合式側(cè)氣囊在某車型上的對比研究[C].中國汽車工程學(xué)會.第19屆亞太汽車工程年會暨2017中國汽車工程學(xué)會年會論文集.中國汽車工程學(xué)會：2017：814-817.

[17] 茅莉磊.老人跌倒預(yù)測系統(tǒng)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2016.

[18] 李琴.氣囊式防摔功能服設(shè)計研究[D].重慶：西南大學(xué)，2018.

[19] 王鵬.基于嵌入式的智能養(yǎng)老院監(jiān)控系統(tǒng)[D].長春：長春工程學(xué)院，2020.

[20] 邱宇，王持，齊開悅，等.智慧健康研究綜述：從云端到邊緣的系統(tǒng)[J].計算機研究與發(fā)展，2020，57（1）：53-73.

[21] 王維念，胡兆燕，陳正龍，等.可穿戴式跌倒檢測及防護裝置的研究現(xiàn)狀[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2017，36（3）：323-329.

[22] 訚珺，陶輝，張晶晶，等.老年人跌倒防護智能服裝設(shè)計[J].服裝設(shè)計師，2020（9）：88-93.

[23] 朱達輝，于曉坤，關(guān)娟娟.老年人防摔倒智能服裝研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].紡織導(dǎo)報，2019（6）：112-115.