一種新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋裝置

吳屹寒，姜奕文

（上海中學(xué)東校，上海 200120）

0 引言

近年來(lái)，面對(duì)世界未有之大變局，社會(huì)也隨之迅速發(fā)展，世界各國(guó)開(kāi)始加大力度發(fā)展新能源，例如水能、潮汐能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生新能源。工業(yè)的迅速發(fā)展也要求我們要不斷地開(kāi)拓新能源，正是在這樣的大背景下，壓力發(fā)電作為一種新能源也應(yīng)運(yùn)而生[1]，應(yīng)用于生活的方方面面。劉沁等[2]結(jié)合壓力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于室外籃球架的照明系統(tǒng)中；初豪杰等[3]設(shè)計(jì)了一種基于新型絲桿機(jī)構(gòu)的發(fā)電保溫鞋；金皖東[4]更是提出了一種道路壓力發(fā)電系統(tǒng)涉及方法，新能源汽車快速充電樁[5]、人形橫道[6]、照明裝置[7]等也層出不窮。其原理主要是電力發(fā)電系統(tǒng)由永久磁鐵和導(dǎo)電線圈兩部分組成，核心在于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。當(dāng)有壓力施加于裝置上時(shí)，裝置會(huì)將作用的壓力經(jīng)內(nèi)部線圈轉(zhuǎn)變?yōu)檎沂浇涣麟?，?jīng)整流電路和穩(wěn)壓濾波電路的作用，輸出穩(wěn)定的直流電，較有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，該壓力發(fā)電裝置在利用壓力發(fā)電的過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染，能夠在綠色環(huán)保的前提下達(dá)到產(chǎn)生電能的目的[8-10]。

同時(shí)，隨著時(shí)代的發(fā)展，家長(zhǎng)更加注重對(duì)孩子的培養(yǎng)問(wèn)題，無(wú)論是從學(xué)習(xí)、生活還是娛樂(lè)、安全，都盡自己所能給孩子最好的，細(xì)無(wú)巨細(xì)。夏季，父母常常因?yàn)楹⒆舆x擇什么樣的驅(qū)蚊產(chǎn)品而感到苦惱，青少年也常因蚊蟲(chóng)叮咬而感到不安。青少年皮膚嫩、新陳代謝快，喜動(dòng)愛(ài)出汗，因此常挨蚊子叮咬。雖然被蚊蟲(chóng)叮咬是夏季不可避免的事情，但可能會(huì)因?yàn)轲W難耐抓破皮膚，造成感染，嚴(yán)重的會(huì)起水皰，甚至合并感染，引起急性腎炎。在蟲(chóng)咬皮炎中蚊蟲(chóng)叮咬引起的皮炎是最常見(jiàn)的。蚊蟲(chóng)可以用口器刺傷皮膚，讓毒腺侵入皮膚，由于蚊蟲(chóng)毒腺中有許多抗原成分，這些抗原在進(jìn)入人體皮膚后可與抗體產(chǎn)生變應(yīng)性反應(yīng)而引起炎癥。嚴(yán)重時(shí)局部會(huì)產(chǎn)生大皰、出血性壞死等嚴(yán)重反應(yīng)，是夏季皮膚科常見(jiàn)病癥。因此，一個(gè)效果好的驅(qū)蚊產(chǎn)品的選擇竟成為了讓父母頭疼的事情。因此，本項(xiàng)目采用壓力發(fā)電的原理制作出一款新型的驅(qū)蚊產(chǎn)品-新型踩壓式驅(qū)蚊鞋，以解決花露水刺激皮膚、易揮發(fā)作用持續(xù)時(shí)間短，驅(qū)蚊手環(huán)驅(qū)蚊范圍窄，驅(qū)蚊貼對(duì)皮膚刺激性強(qiáng)[11-12]，電蚊香不方便攜帶等問(wèn)題。

1 新型踩壓式驅(qū)蚊鞋的構(gòu)成

在行走過(guò)程中，人們常常習(xí)慣于腳掌部分先著地，因此，鞋是在行走過(guò)程中的受力比較大的部分是腳掌到腳趾的位置，在這一部分需要放置發(fā)電模塊進(jìn)行發(fā)電；鞋子腳掌和后跟之間的位置呈微型凹狀受力不均勻，適合放置蓄電池。

根據(jù)目前的壓力發(fā)電的裝置[13]、驅(qū)蚊產(chǎn)品[14]，再結(jié)合鞋底內(nèi)部的特征設(shè)計(jì)，成功研制了一種符合人體生理構(gòu)造的新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋。該驅(qū)蚊鞋利用人體行走進(jìn)行發(fā)電的方法改善著人們的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)驅(qū)蚊產(chǎn)品所存在的驅(qū)蚊效果差、攜帶不方便的缺點(diǎn)，整體設(shè)計(jì)環(huán)保、健康、完全適合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的需求。

如圖1 所示，新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋整體由8 部分組成：加熱裝置、蓄電池、過(guò)壓保護(hù)裝置、穩(wěn)壓模塊、指示燈、電機(jī)、感壓裝置、壓力發(fā)電裝置。新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋整體具體裝置見(jiàn)表1。

表1 新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋整體具體裝置

圖1 新型踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋整體組成

（1）加熱裝置：通過(guò)加熱片對(duì)儲(chǔ)片罐中的蚊香片或蚊香液加熱，試其散發(fā)出具有驅(qū)蚊效果的氣體。

（2）蓄電池：一部分電能通過(guò)使用電路直接作用于加熱驅(qū)蚊片，多余的電能則通過(guò)儲(chǔ)能電路被蓄電池所收集并儲(chǔ)存起來(lái)，以便后續(xù)在無(wú)踩壓時(shí)驅(qū)蚊片的持續(xù)加熱。

（3）過(guò)壓保護(hù)裝置：防止瞬間電流過(guò)大燒壞電路板。

（4）穩(wěn)壓模塊：可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

（5）指示燈：該指示燈是用來(lái)顯示該驅(qū)蚊鞋的工作狀態(tài)。踩壓、內(nèi)有蚊香液或蚊香片時(shí)，指示燈點(diǎn)亮。無(wú)踩壓或蚊香片、蚊香液用盡后，指示燈熄滅。待補(bǔ)充新的蚊香片或蚊香液后再踩壓，指示燈亮。

（6）電機(jī)：利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

（7）感壓裝置：感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)。

（8）壓力發(fā)電裝置：踩壓裝置上時(shí)，壓感軸繞其圓心旋轉(zhuǎn)通過(guò)增速模組，增加發(fā)電機(jī)相對(duì)壓感軸的轉(zhuǎn)速比，因而增大了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得其輸出電壓增加。

2 工作原理

壓力發(fā)電裝置由內(nèi)部的多組導(dǎo)電線圈和永久磁鐵組成，其主要功能是當(dāng)外界壓力施加到裝置上時(shí)，壓感軸繞其圓心旋轉(zhuǎn)通過(guò)增速模組，增加發(fā)電機(jī)相對(duì)壓感軸的轉(zhuǎn)速比，因而增大了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得其輸出電壓增加。但是通過(guò)旋轉(zhuǎn)只能是單向，撤銷時(shí)為了使其復(fù)位我們需要增加彈簧，本發(fā)明采用的時(shí)扭簧，相對(duì)于普通壓縮彈簧而言對(duì)于結(jié)構(gòu)的空間利用率更高，因?yàn)闇p速器采用的是齒輪所以其即可以正向運(yùn)用也可以反向運(yùn)動(dòng)，所以我們就必須利用類似自行車腳踏結(jié)構(gòu)的荊棘輪，從而解決了單向運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，如圖2所示。裝置整體如圖3 所示。

圖2 壓力發(fā)電裝置圖

圖3 整體裝置爆炸圖

3 主要技術(shù)性能指標(biāo)

（1）多選擇化：根據(jù)每個(gè)人習(xí)慣和外出情況不同，選擇不同的蚊香片模式，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的蚊香片模式根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，設(shè)置了兩種選擇模式序，方便使用者自主選擇。

（2）安全可信性：對(duì)蚊香片和蚊香液的成分作了相關(guān)的試驗(yàn)，蚊香片、蚊香液都選用無(wú)毒無(wú)害的純天然物質(zhì)，并配有相應(yīng)的蚊香片夾及蚊香液注射管替換用盡的蚊香產(chǎn)品，確保其綠色環(huán)保、對(duì)人體沒(méi)有副作用。

（3）可操作性高：整個(gè)過(guò)程只需更換用盡的蚊香片或蚊香液，對(duì)操作者文化技術(shù)要求較低，適用于青少年。

（4）人性化設(shè)計(jì)：符合人體生理構(gòu)造，通過(guò)指示燈的亮滅來(lái)展示工作狀態(tài)，以及蚊香片或蚊香液的耗盡程度，以便使用者辨別裝置是否正常工作，蚊香產(chǎn)品是否需要更換。

4 裝置操作流程

手工操作流程：用戶穿鞋-彈簧按鍵觸發(fā)-彈簧按鍵按壓觸感裝置-鉛蓄電池給發(fā)熱片供電-發(fā)熱片發(fā)熱給驅(qū)蚊片加熱-驅(qū)蚊片工作-脫鞋停止工作，手工操作流程如圖4 所示。

圖4 手工操作流程

內(nèi)部機(jī)械工作流程：走路-壓桿繞壓桿軸旋轉(zhuǎn)-荊爪帶動(dòng)荊棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)-荊棘輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電-發(fā)電機(jī)正負(fù)極連接過(guò)呀保護(hù)裝置-穩(wěn)壓模塊-蓄電池；荊爪帶動(dòng)荊棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，扭簧將壓桿復(fù)位，通過(guò)荊棘輪結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機(jī)保持靜止。內(nèi)部機(jī)械工作流程如圖5 所示。

圖5 內(nèi)部機(jī)械工作流程

5 裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）本裝置安裝于鞋底更輕巧、便攜，因所有裝置安裝于鞋底內(nèi)部，防止因孩子操作不當(dāng)而造成裝置的損壞。

（2）本裝置添加蚊香片和蚊香液更方便、安全，采用配套的蚊香片夾及蚊香液注射管替換用盡的蚊香產(chǎn)品，保證使用者不與蚊香產(chǎn)品直接接觸，確保青少年的安全使用。

（3）驅(qū)蚊模式分為兩種模式。

①蚊香片模式：適合短時(shí)間使用，數(shù)小時(shí)之后更換蚊香片后仍可繼續(xù)使用。

②蚊香液模式：適合長(zhǎng)時(shí)間使用，一瓶液體可使用數(shù)天后再補(bǔ)充。

使用者可以根據(jù)具體情況合理選擇驅(qū)蚊模式。蚊香片模式，適合短時(shí)間使用，數(shù)小時(shí)之后更換蚊香片后仍可繼續(xù)使用。蚊香液模式，適合長(zhǎng)時(shí)間使用，一瓶液體可使用數(shù)天后再補(bǔ)充。但由于長(zhǎng)距離外出需要乘坐火車、飛機(jī)等交通工具，相關(guān)部門對(duì)于液體攜帶有明確規(guī)定，因此蚊香片模式是長(zhǎng)途旅行的最佳選擇，而蚊香片模式更適合就近游玩時(shí)使用。

（4）本裝置利用壓力發(fā)電原理，在壓力發(fā)電的過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染，能夠在綠色環(huán)保的前提下達(dá)到產(chǎn)生電能達(dá)到驅(qū)蚊的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

從目前的發(fā)展前景來(lái)看，家長(zhǎng)越來(lái)越傾向于為青少年使用驅(qū)蚊效果明顯、無(wú)副作用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、純天然制作、無(wú)刺激性氣味、使用方便的新型驅(qū)蚊產(chǎn)品，并且面對(duì)國(guó)家的號(hào)召，無(wú)論是家長(zhǎng)還是社會(huì)都十分渴望綠色環(huán)保的相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)布。壓力發(fā)電技術(shù)的推廣，無(wú)疑將會(huì)成為當(dāng)代社會(huì)對(duì)新能源需求的主流，壓力發(fā)電過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生破壞生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)，同時(shí)能夠節(jié)約許多能源。將壓力發(fā)電應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，也將會(huì)被大眾所關(guān)注的。一旦壓力發(fā)電應(yīng)用到我們生活的方方面面，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與生態(tài)價(jià)值。因此，我們必須用好壓力發(fā)電這一原理，與我們生活緊密結(jié)合，探索出更多更好的綠色環(huán)保的新產(chǎn)品，為我們國(guó)家工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己一份力量，為保護(hù)全球環(huán)境添磚加瓦！

新型踩壓式驅(qū)蚊鞋，為家長(zhǎng)解決了為青少年挑選驅(qū)蚊產(chǎn)品的煩惱。特別是中小學(xué)生，由于心智不夠用成熟、文化水平較低，對(duì)于防蚊蟲(chóng)叮咬偶的意識(shí)不足，在夏季對(duì)蚊蟲(chóng)的防避均需要家長(zhǎng)不停的叮囑，外出家長(zhǎng)還要經(jīng)常隨身攜帶花露水、驅(qū)蚊膏等驅(qū)蚊產(chǎn)品，這無(wú)形中給父母增加了更多的工作壓力，因此我認(rèn)為新型全踩壓式驅(qū)蚊運(yùn)動(dòng)鞋能夠解放父母，同時(shí)鍛煉和培養(yǎng)孩子的自理能力，自己替換蚊香片、蚊香液，做到自己的事情自己做，具有很大的經(jīng)濟(jì)前景和社會(huì)前景。同時(shí)本裝置的蚊香片、蚊香液采取無(wú)毒無(wú)害的產(chǎn)品，對(duì)于青少年而言是絕對(duì)安全的，解決了父母?jìng)兊暮箢欀畱n。有了它，父母再也不必外出時(shí)時(shí)時(shí)刻刻跟在孩子身旁用扇子扇或催促噴涂花露水了，有了它外出青少年再也不怕蚊蟲(chóng)叮咬了，相信它會(huì)給家長(zhǎng)帶來(lái)方便，給青少年帶來(lái)無(wú)蚊蟲(chóng)叮咬的快樂(lè)！