用于摔倒后報警和頭部保護(hù)的多功能帽的設(shè)計與制作

余善成 艾力·依布拉音 劉一璇 曾顏毓 鄒曉偉 王承爍

摘 要：跌倒是老年人日常生活中面臨的主要意外事件，威脅著老年群體的健康與安全。其中，摔倒引起的顱腦損傷具有較高的致殘率，嚴(yán)重的甚至?xí)＜吧踩Ｒ虼耍槍︻^部的保護(hù)顯得尤為重要，文章設(shè)計制作了基于非牛頓流體材料的保護(hù)帽，可以借助新材料優(yōu)異的力學(xué)緩沖性能，有效減小摔倒時頭部受到的沖擊力。同時，其集成了聲光報警模塊，旨在摔倒時能夠自動發(fā)出求救信號，提高摔倒者被救助的及時有效性，降低摔倒造成的傷害。

關(guān)鍵詞：多功能帽;非牛頓流體;摔倒識別;聲光報警

中圖分類號：TP277;TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-110-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.050

2013年，我國60歲以上老年人口已達(dá)到2.07億[1-2]，占比達(dá)13.26%，人口老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重[3]。隨著年齡的增長，人體各功能器官老化現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，腦組織活躍度下降，導(dǎo)致反應(yīng)不靈敏，肌肉萎縮容易引發(fā)意外摔倒事故[4]。據(jù)統(tǒng)計，65歲以上老年人有1/3遇到過摔倒問題，其中約1/5的摔倒導(dǎo)致了嚴(yán)重的顱腦損傷。摔倒引起身體不同部位損傷，導(dǎo)致的平均病死率為2.07%，但頭部病死率卻高達(dá)6.79%[5]。摔倒的高發(fā)生率、高致殘率和高死亡率，使得摔倒成為老年群體生命安全的最大威脅之一。目前，國內(nèi)針對老年人摔倒問題的研究側(cè)重于“摔倒后頭部保護(hù)”和“摔倒后報警”兩個方面[6-7]。前者的創(chuàng)新要點在于，緩沖防護(hù)墊能在老年人摔倒時起到保護(hù)后腦部位的作用，但并未考慮到老年人側(cè)臥式摔倒的情況，應(yīng)用范圍具有局限性;后者將裝置安裝在患者的手腕處，誤觸發(fā)率高。這些產(chǎn)品的研究并未將摔倒后的頭部保護(hù)和報警有機(jī)結(jié)合，保護(hù)效果有限。文章設(shè)計制作了摔倒后報警和頭部保護(hù)的新型多功能帽，新型防護(hù)材料的使用有助于降低老年人因跌倒而造成的頭部損傷。同時，其集成了聲光報警模塊，摔倒時能夠自動發(fā)出求救信號，可以提高被救助的及時有效性。

1 設(shè)計思路

通過對頭部及摔倒?fàn)顟B(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)摔倒時頭部的著地點主要為頭部兩側(cè)上顳線最高處、枕外隆突處，如圖1中③、④所示。因此，非牛頓流體防護(hù)材料制作成如圖1中②所示的形狀，在保證多功能帽輕便的基礎(chǔ)上能夠有效地保護(hù)頭部，避免摔倒時硬著地帶來的外力沖擊損傷。此外，防護(hù)帽的主體如圖1中①所示，外觀與普通太陽帽相仿，簡潔、美觀，易于被老年消費(fèi)者接受。

非牛頓流體材料是一種剪切稠化流體材料，當(dāng)作用力緩慢施加到剪切增稠流體時，聚合物鏈有時間移動并重新排列，因此粘度減小;如果快速施加作用力時，聚合物鏈沒有時間重排，將會糾纏在一起，粘度大大增加。如圖2所示，剪切稀化流體（左）：施加的剪切力破壞了聚合物間的氫鍵（或其他二級結(jié)構(gòu)），聚臺物更容易流過。去除應(yīng)力時，聚合物鏈之間的氫鍵再次形成。剪切稠化流體（右）：施加剪切力可導(dǎo)致聚合物的無規(guī)卷曲解開并且彼此纏結(jié)，提高粘度。去除應(yīng)力時，聚合物恢復(fù)到無規(guī)線團(tuán)狀態(tài)。

聲光報警功能原理如圖3所示。5V電源給單片機(jī)供電，通過JY-61姿態(tài)傳感器實時獲取加速度、角速度和角度數(shù)據(jù)。信息數(shù)據(jù)通過串口傳至51單片機(jī)進(jìn)行解算，通過監(jiān)控加速度數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生跌倒行為。若獲取的加速度異常（超出設(shè)定閾值），單片機(jī)將控制蜂鳴器和LED燈發(fā)出聲光警報。

2 實物介紹

依據(jù)多功能帽設(shè)計圖及聲光報警電路圖的分析結(jié)果，采購相關(guān)材料與電子元器件，包括太陽帽、非牛頓流體材料、5V鋰電池、STC89/STC12單片機(jī)板、JY-61六軸加速度傳感器、LED二極管、蜂鳴報警器等。以太陽帽為基礎(chǔ)制作如圖1中②所示形狀的夾層，非牛頓流體防護(hù)材料填充在夾層中，以實現(xiàn)較好的力學(xué)緩沖保護(hù)功能。電子元器件經(jīng)手工焊接組裝、控制程序編寫及調(diào)試，實現(xiàn)了摔倒模型中觸發(fā)聲光報警的功能。集成了摔倒時頭部保護(hù)并及時發(fā)出聲光報警功能的多功能帽原型樣機(jī)實物如圖4所示，其中包括：（1）多功能帽主體;（2）非牛頓流體材料填充的夾層;（3）鋰電池電源;（4）單片機(jī)主板;（5）加速度姿態(tài)傳感器;（6）蜂鳴報警器;（7）LED燈。

3 樣機(jī)性能

通常，在走路等情況下，人體加速度數(shù)值變化不大;但當(dāng)摔倒發(fā)生時，人體加速度將發(fā)生較大變化。加速度姿態(tài)傳感器獲取到變化的加速度，當(dāng)判定加速度數(shù)值達(dá)到或超過設(shè)定閾值時，則自動發(fā)動聲光報警器向周圍發(fā)出求救信號。一方面，可以解決老人摔倒后因意識喪失不能自主向外界求助而影響救助及時性的問題;另一方面，聲光報警方式的結(jié)合，可以有效將求助信號傳遞出去，白天以聲音引起周圍人的注意，晚上則可借助光信號較快指引施救者來到摔倒老人身邊，實施及時救助。在摔倒模型測試中，文章所設(shè)計制作的多功能帽原型樣機(jī)，對各種摔倒姿勢的報警成功率達(dá)到了100%。

非牛頓流體材料是一種剪切變稠聚合物。在受到強(qiáng)沖擊力時，聚合物分子鏈蜷曲纏結(jié)在一起，提高黏度，吸收沖擊能量，廣泛應(yīng)用于軍事裝備和體育器材方面[8]。美國知名男士服飾品牌Brooks Brothers，是最早圍繞非牛頓流體材料“剪切增稠”特性開發(fā)鞋底材料的鞋企。該鞋企上一代的緩沖材料為“Brooks DNA”（非牛頓流體材料），而目前該鞋企的中底材料則更勝一籌，采用“BioMoGo”與“Brooks DNA”結(jié)合制成復(fù)合材料“BioMoGo-DNA”，代替之前的中底材料。著名的D3O材料也應(yīng)用于各大體育防護(hù)服上。本制作將其用于老年人摔倒防護(hù)中，具有很好的實用價值。力學(xué)測試結(jié)果如表1所示，相比于傳統(tǒng)防護(hù)材料EVA、SBR等，非牛頓流體材料防護(hù)下測試到的沖擊力最小，并且緩沖能力高達(dá)58.31%，具有很好的力學(xué)防護(hù)性能，能夠有效減小摔倒時地面沖擊力對老人頭部的傷害。

4 結(jié)語

文章設(shè)計制作了用于摔倒后報警和頭部保護(hù)的多功能帽，借助非牛頓流體新材料優(yōu)異的力學(xué)緩沖性能，有效減小了摔倒時頭部可能受到的沖擊力。同時，結(jié)合聲光報警，在老人摔倒時自動發(fā)出求救信號，提高其被救助的及時有效性。雙管齊下的策略，可以大大降低老人頭部因摔倒而造成嚴(yán)重傷害的風(fēng)險。

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