可自動(dòng)殺菌鞋的設(shè)計(jì)

尹義鵬 李云芳

（臨沂大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1 研究背景及意義

普通鞋子很容易滋生細(xì)菌，產(chǎn)生異味，甚至可能誘發(fā)腳氣以及其他皮膚病。對(duì)城市重點(diǎn)醫(yī)院、普通診所和城市人口“香港腳”的情況的調(diào)查問卷顯示，城市人口中成年男性都有不同程度的“香港腳”問題，并且59.93%的“香港腳”患者會(huì)特別在意別人的看法。“香港腳”作為一種常見的影響生活以及健康的因素越來越受到不同程度的關(guān)注。目前，對(duì)于“香港腳”的治療，一般會(huì)采用藥物治療的方式，但復(fù)發(fā)性太強(qiáng)。

為解決上述具有現(xiàn)實(shí)意義的問題，我們設(shè)計(jì)了能防止細(xì)菌滋生和自動(dòng)殺菌的鞋子。該鞋子包括鞋體和安裝在鞋體內(nèi)部的電子控制裝置。電子裝置由能量裝換裝置、儲(chǔ)能裝置、溫度監(jiān)測裝置和超聲波發(fā)生裝置組成。超聲波清洗能夠殺菌，其原理是穿透細(xì)菌細(xì)胞核，使其裂變而死。“香港腳”產(chǎn)生的根本原因是腳部在比較潮濕的鞋子這種細(xì)菌天然的溫床條件下得不到充足的通風(fēng)遭到侵害而產(chǎn)生的。利用超聲波裝置殺滅細(xì)菌，通風(fēng)條件的設(shè)計(jì)使得患者擁有健康雙腳。

2 主要功能和性能指標(biāo)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)殺菌鞋子不僅可以用于登山鞋，也可以用于其他鞋子。設(shè)計(jì)的自動(dòng)殺菌鞋，通過超聲波發(fā)生裝置發(fā)出的超聲波特有的殺菌作用，利用能穿透細(xì)菌核的能力使其爆裂而死的原理起到保護(hù)雙腳的作用。[1]溫度檢測器件能隨時(shí)檢測鞋子內(nèi)部雙腳的溫度，判斷是否應(yīng)該啟用殺菌功能。除殺菌作用外，透氣功能較好的鞋子能預(yù)防再次產(chǎn)生“香港腳”。此殺菌鞋能預(yù)防和根治“香港腳”，而且舒適透氣。

3 設(shè)計(jì)方案

此鞋子主要由鞋體和安裝在所述鞋體內(nèi)部的電子控制裝置組成。電子控制裝置包括將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置、與能量轉(zhuǎn)換裝置連接并儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能裝置、用于檢測鞋體是否需要?dú)⒕臏囟葯z測裝置和用于殺菌的超聲波發(fā)生裝置。能量轉(zhuǎn)換裝置和儲(chǔ)能裝置放置在鞋跟位置，溫度檢測裝置設(shè)置在鞋掌下部，超聲波發(fā)生器裝置則放在鞋子前部，分布合理，效果理想。

本設(shè)計(jì)通過放置在鞋根位置的溫度檢測器件通過檢測溫度高低來判斷所述鞋體是否需要?dú)⒕?chǔ)能裝置與超聲波發(fā)生裝置之間設(shè)置開關(guān)S，開關(guān)S 由溫度檢測器件控制。通過設(shè)置在鞋體前端的超聲波發(fā)生裝置產(chǎn)生的超聲波從內(nèi)向外擴(kuò)散，對(duì)鞋體進(jìn)行徹底殺菌。實(shí)用性主要表現(xiàn)在可自發(fā)電、環(huán)保節(jié)約、使用方便，不受地點(diǎn)限制、殺菌效果徹底。

3.1 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能裝置圖

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由壓電元件、電容器裝置和控制裝置組成，利用每次腳跟落地時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，如圖1 所示。為使它們承受相同的機(jī)械應(yīng)力，由壓電材料組成的壓電元件和所述電容器板片基本平行。能量轉(zhuǎn)換裝置利用壓電材料在外力撞擊條件下的變形使材料中產(chǎn)生電荷。當(dāng)壓電元件變形時(shí)，由壓電元件產(chǎn)生的電荷通過控制裝置傳送到電容器，電容器通過電容的變化會(huì)放大由壓電元件產(chǎn)生的電能。在壓電元件和電容器之間設(shè)置電荷傳送的控制裝置。電荷傳送的控制裝置由一個(gè)二極管和一個(gè)具有控制電路的開關(guān)形成。可變電容器由固定板片和移動(dòng)板片組成，移動(dòng)板片在外部振動(dòng)效果下移動(dòng)并且改變兩個(gè)板片之間的間隙，電容器電容改變。人在走動(dòng)的時(shí)候會(huì)利用頻繁的自身體重來沖擊鞋跟，而安裝在該位置的能量裝換裝置會(huì)將該機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能并以電能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置，為超聲波發(fā)生裝置殺菌提供必要的能量來源。該方案發(fā)電簡單方便，節(jié)能環(huán)保，特別適用野外環(huán)境。

3.2 殺菌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 超聲波發(fā)生裝置示意圖

自動(dòng)殺菌系統(tǒng)包括鞋體和安裝在所述鞋體內(nèi)部的電子控制裝置。電子控制裝置包括將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能裝置，檢測所述的鞋體是否需要?dú)⒕臏囟葯z測器件和具有殺菌作用的超聲波發(fā)生裝置。儲(chǔ)能裝置，由整流電路和充電電池組成，起到儲(chǔ)存作用。在儲(chǔ)能裝置與超聲波發(fā)生裝置之間設(shè)置開關(guān)S，由溫度檢測器件通過感應(yīng)器控制。超聲波發(fā)生裝置，設(shè)置在鞋體前端，殺菌從內(nèi)向外進(jìn)行，可對(duì)整個(gè)鞋體進(jìn)行徹底殺菌，且功率適中，不會(huì)對(duì)人體造成傷害。溫度檢測器件放置在鞋體的鞋跟位置，能隨時(shí)檢測雙腳溫度改變，判斷是否啟用殺菌功能。當(dāng)溫度檢測器件感應(yīng)到鞋體內(nèi)部溫度升高到特定溫度時(shí)，感應(yīng)器導(dǎo)通開關(guān)S，觸發(fā)所述的殺菌發(fā)生器工作。超聲波發(fā)生裝置發(fā)出的超聲波，能穿透細(xì)菌核使其爆裂致死的原理起到保護(hù)雙腳的作用，如圖2 所示。本設(shè)計(jì)通過鞋子的使用過程產(chǎn)生電能，使用方便，節(jié)能環(huán)保。[2]

3.3 透氣鞋面、鞋體設(shè)計(jì)

在全部或者部分鞋面面料層間襯貼一層防水透氣膜，保證足部良好的透氣性。[3]鞋子面料選擇性較廣，織物、皮革、合成材料均可使用，面料與防水透氣膜粘貼以后，能提高鞋面的曲撓性，延長鞋子的使用壽命。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）本自動(dòng)殺菌鞋子的應(yīng)用技術(shù)均已十分成熟，先進(jìn)性在于其較好的整好了預(yù)防和殺菌的雙重技術(shù)，從根本上解決了“香港腳”一直危害生活健康的難題。

（2）本自動(dòng)殺菌鞋子雖然應(yīng)用較為先進(jìn)的技術(shù)，但是其制造成本并不高，結(jié)合現(xiàn)在鞋子行業(yè)的銷售，其價(jià)格不會(huì)超過現(xiàn)有價(jià)值的1.5倍，普通大眾人口皆有能力購買。

（3）隨著健康意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)健康生活的追求不僅停留在衣食住行等基本的生活需求。此種自動(dòng)殺菌的鞋子與普通日常使用的鞋子具有相同的應(yīng)用環(huán)境但需求量會(huì)很大，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍會(huì)很廣。

［1］沈其動(dòng).超聲及其它方法聯(lián)合滅菌實(shí)驗(yàn)性研究[D].陜西師范大學(xué)，2008.

［2］潘亞君.一種可自動(dòng)殺菌的鞋子：中國，200920306270[P].2010.05.19.

［3］張文華.防水透氣膜及其在建筑外墻工程中的應(yīng)用[C]//新防水堵漏工程標(biāo)準(zhǔn)宣貫與技術(shù)研討會(huì)論文集.2011.