基于安全氣囊氣體發(fā)生器的溺水自救手環(huán)的研究

張繼超，趙 野，陳雁多，曹芮菡，向麗蓉

（北華大學，吉林吉林 132000）

根據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，每年死于溺水的人高達40萬。一般來說，溺水2min便會失去意識，4～6min后神經系統(tǒng)會遭受不可逆損傷，溺水者在徹底沉沒前只有20～60s的時間掙扎。市面上現有救生手環(huán)利用二氧化碳高壓氣罐為氣囊充氣提供浮力，在事故發(fā)生時需拉動手柄使氣體充入才能使溺水者上浮，但人在溺水時往往驚慌失措難以主動操作使氣囊彈出，且球形氣囊難以抱住，浮力不足易漏氣，也不便于溺水者長時間穩(wěn)定漂浮，因此難以達到救生目的[1]。

針對現有救生手環(huán)充氣方式存在易爆炸、彈出速度不夠快等問題，參考汽車安全氣囊的反應原理設計了新的氣體發(fā)生裝置，提高了氣囊彈出的速度和安全性；針對氣囊彈出方式上需手動觸發(fā)的缺陷，增加了自動報警裝置，可通過實時監(jiān)測多項生命體征指標自動觸發(fā)；針對氣囊為球形不便于溺水者抱住的問題，設計拐杖形氣囊便于溺水者手臂搭扶，同時為了避免氣囊漏氣和濕滑難以抱住，氣囊材料選擇了混合型織物，并設計條紋突起表面防滑。

1 手環(huán)原理概述

該手環(huán)主要由電控單元（ECU）、傳感器、報警器、點火裝置、氣體發(fā)生器、氣體發(fā)生劑，電源及備用電源七個單元構成（圖1）。

圖1 氣囊工作原理圖

當使用者啟動手環(huán)時，手環(huán)開始實時監(jiān)測使用者的血壓、心率數值，當進入水下時，水位傳感器啟動，監(jiān)測水位變化。當監(jiān)測數據超過提前設定的參數閾值時，將異常信號傳至電控單元，電控單元傳輸充氣指令到氣體發(fā)生器點火裝置，加熱氣體發(fā)生劑，發(fā)生化學反應產生大量氣體，氣囊在極短時間內充氣彈出，溺水者可在瞬間抓住氣囊，足夠的浮力可使溺水者頭部浮出水面自救，最大限度減少溺水所帶來的傷害，降低后續(xù)營救難度。在非室內水域可選擇帶自動定位的手環(huán)，以便于溺水者快速得到救援。

2 氣囊系統(tǒng)組成結構

2.1 氣體發(fā)生裝置

手環(huán)的氣體發(fā)生裝置模擬汽車安全氣囊的氣體發(fā)生裝置彈出氣囊，氣體發(fā)生裝置主要由煙火式氣體發(fā)生器、硝酸胍和堿式硝酸銅混合成的可燃劑、剛性電發(fā)火頭結構的點火裝置構成。

2.1.1 氣體發(fā)生器

常見的氣體發(fā)生器[2]可以分為貯氣瓶式、煙火式和混合式三類。綜合對比來看，混合式氣體發(fā)生器具有性能較高，但成本高昂并不適用。而煙火式氣體發(fā)生器，不僅產氣速度快，成本低廉，且便于長時間儲存，雖然排氣溫度較高，但隨著科技發(fā)展，涂層技術可以解決此類缺陷，故選擇煙火式氣體發(fā)生器對氣囊充氣。

2.1.2 氣體發(fā)生劑

氣體發(fā)生劑的成分應選取安全無毒或毒性較低，成本低的物質。疊氮類發(fā)生劑雖燃溫低，燃速快，燃氣較為安全，工藝簡單成本較低，但其原料疊氮化鈉有劇毒，穩(wěn)定性較差易分解爆炸，產氣率低下，燃燒后會產生不易過濾的鈉單質和對人體有刺激性的氫氧化鈉?；谏鲜鋈毕荩钳B氮類更為安全、穩(wěn)定。

可燃劑應選取產氣率高且物化性質相對穩(wěn)定的物質，物質的氮含量高，需氧量少，可使產氣量增加。氧化劑為可燃劑提供燃燒過程中所需的氧，應選取較高含氧量、高安全性能，且燃燒時氧易于釋放，生產物殘渣較少的物質，通常選擇兩種以上的氧化劑。

雖然氣囊的材料具有一定耐熱性，但仍需降溫劑和燃素調節(jié)劑，降溫并加速反應，使產氣耗時更短。非疊氮類發(fā)生劑燃燒后，會生成部分有毒氣體，需適當的催化劑中和，或改變燃燒機理，即可解決這個缺陷。

基于上述需求，選擇燃溫低產氣量較大的硝酸胍（GN）和堿式硝酸銅（BCN）作為反應的可燃劑，選取高氯酸銨（AP）作為燃素調節(jié)劑，提高可燃劑的著火性，加快燃速并增加產氣量，且其具有的吸濕性可減少生成氣體中有毒氣體的含量，同時需要適量的硝酸鉀（KNO3）作為除氯劑和主要氧化劑。反應方程式[3]如下。

要求9a+5b=2。

混合物燃燒時的溫度為1 901K，產氣量為3.01mol·（100g）-1，且與添加劑含量無關，當GN/BCN=33.57/64.43時，燃速達到最快。

2.1.3 點火裝置

剛性電發(fā)火頭結構電阻一致性較好，且成本較低，并利用激光焊接提高密封性，利于長期貯存，而點火裝置用藥劑選用了點火能力強，傳火速度快，性能穩(wěn)定且便于儲運硝基苯酚火藥[4]。點火裝置接受異常信號過程如圖2所示：

圖2 信號傳播過程圖

異常值信號傳遞給ECU，ECU傳遞電信號給點火線圈的電流，傳播過程形成點火延遲時間，此后點火線圈發(fā)熱，加熱硝酸胍（GN）和堿式硝酸銅（BCN）發(fā)生化學反應，產生二氧化碳和氮氣的混合氣體為氣囊充氣。點火線圈持續(xù)發(fā)熱時間就是點火持續(xù)時間，截止化學反應產氣結束，充氣完成。

2.2 傳感器及參數設定

使用者在使用過程中實時測定其體溫、血壓、心率，設定參數正常值，當手環(huán)各數值發(fā)生異常，傳遞異常信號。

由于心跳與脈搏近似同步，手環(huán)通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，從而檢測心率，并利用氣體壓力傳感器識別血壓。而人在水中的壓力會隨水深而變化，通過壓力變化衡量水位變化，水壓傳感器根據水壓變化引起內部內膜片產生形變壓力，使敏感電氣元件產生低電平信號，由水壓數據得到佩戴者所處水深。

根據表1數據我們設定心率正常值為55-80bpm。而人體正常的收縮壓為98至105mmhg，舒張壓為73至79mmhg，設置收縮壓為95mmhg（約為正常收縮壓最低值的97%），舒張壓為70mmhg（約為正常收縮壓最低值的96%）[5]。

表1 各狀態(tài)心率正常值范圍

由于年齡，性別，以及各類別人群對血壓都有一定的影響，設定具體值并不可靠，所以應當根據心率、血壓和水位綜合判斷人是否處于溺水狀態(tài)。

2.3 定位設置

由于在室外水域，溺水者不易被救援人員及時發(fā)現，故手環(huán)增加了定位功能，方便溺水者更快得到救援。AGPS[6]有一個附加的定位器，這是其相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)勢，它的基本原理是通過基站發(fā)送有關輔助衛(wèi)星的信息，從而可將接收機和輔助設備拆分為兩個可操作設備，減少GPS芯片接收信號所需的時間，并使用基站信號來減少對衛(wèi)星的依賴性，與實際定位相比，誤差較小。

3 氣囊形狀

原球形氣囊需溺水者主動抱住漂浮氣囊，但溺水時即使氣囊彈出，溺水者也很可能由于緊張慌亂，無法抱住氣囊自救。為了便于溺水者穩(wěn)定漂浮，將氣囊形狀設計為拐杖形，安裝時利用卡槽固定住拐杖彈出方向，彈出后氣囊圓弧部分繞過佩戴手手腕至手腕下方，足長的圓柱體部分朝另一只手的方向彈出?；谀缢呖赡墚a生雙臂上舉的撲水動作，拐杖形氣囊更便于溺水者雙臂搭在氣囊上，以保持頭部超過水面，進而自救。另外，為保證氣囊的安全性，需設置排氣孔以減緩沖擊力。 相關設計如圖3所示

圖3 手環(huán)部分簡略圖

4 手環(huán)材料

氣囊織物原料采用聚酯和聚酰胺復合纖維，聚酯作芯，聚酰胺作皮層，在提升了織物的尺寸穩(wěn)定性的同時還保證了耐熱性，外層采用條紋凸起的涂層織物液體硅橡膠，便于人在溺水之后雙手搭在氣囊上而不會打滑，里面采用非涂層織物，這樣既滿足了氣囊的氣密性、耐磨性，又可以使灼熱氣體排出，在安全性上也得到了保證[7]。TPE材質的腕帶材料環(huán)保無毒，具有皮膚般柔軟舒適的觸感，彈性優(yōu)良，抗靜電，不易黏灰塵，耐污性能好，與硅膠相比具有較高的生產效率，且邊角余料可反復回收利用，降低成本。碳纖維復合材料作為手環(huán)的外殼材料，碳纖維相對合金等金屬材料極大減輕了手環(huán)的重量，比重僅占鋼的1/5，與樹脂等材料復合后，抗拉強度是鋼鐵的5倍以上，故具有超高的比強度，非常適合作為手環(huán)的外殼材料[8]。

5 結束語

基于安全氣囊氣體發(fā)生器的溺水自救手環(huán)具有以下優(yōu)勢：在安全性方面，改良的彈出方式和手環(huán)材料上的嚴格選取，使之不會出現關鍵時刻手環(huán)無法使用的現象。相較于游泳圈和救生衣，手環(huán)更為便攜安全。增加的AGPS定位系統(tǒng)，可使溺水者更快得到救援。手環(huán)上的點火開關按鈕可以實現一鍵式引起氣體發(fā)生反應，為溺水者的自救提供了保障。