讓逃生更成功——仿鳥呼吸式汽車落水再生制氧生命保障裝置的研制

◎長沙市長郡芙蓉中學(xué) 喻梓宸 龍奕丞 蔡宗林

一、課題背景

汽車落水后，很多人會驚慌失措，一時無法進行理性判斷，導(dǎo)致大多數(shù)情況下逃生失敗。

我們想設(shè)計一種裝置，實現(xiàn)在汽車落水后，車內(nèi)人員在破窗逃生前能正常呼吸，從而提高車內(nèi)人員的逃生成功率。

二、調(diào)查與實驗

1.查閱資料

人教版初中生物七年級下冊教材中列出了人體吸入與呼出的氣體成分對照表，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)人們呼吸時，吸入的新鮮空氣與呼出的氣體成分中，氧氣的含量由21%下降為16%，而二氧化碳的含量則由0.03%增加到4%。數(shù)據(jù)表明，人們的生命活動需要不斷地消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳。

要保證人在水中也能正常呼吸，則需要為人體提供一個小型的呼吸環(huán)境，這個呼吸環(huán)境中需要有一定的氣體量。而要保證小環(huán)境中的氣體與大氣中的氣體成分基本相同，則需要不斷地向小環(huán)境氣體中補充氧氣，并消耗掉人體排出來的二氧化碳氣體。

2.測量與分析

在老師的指導(dǎo)下，我們利用肺活量計按年齡、性別等隨機選擇一些人進行測試，多次測量他們30 s內(nèi)呼出的氣體量，以此作為正常人正常情況下每分鐘呼吸的氣體量。

從測試數(shù)據(jù)分析可知，人在正常情況下，每分鐘呼吸的氣體量大約為7500 mL。由此可推算出，人體平均每分鐘需要消耗的氧氣約有375 mL（0.54 g/min），排出的二氧化碳約有300 mL（0.591 g/min）。這就說明我們設(shè)計的裝置要滿足個人小環(huán)境呼吸的需求，制造氧氣與處理二氧化碳的速率需達到這個要求。

3.實驗與分析

我們通過在化學(xué)實驗室中利用氯酸鉀、高錳酸鉀加熱制取氧氣，利用過氧化氫（雙氧水）制取氧氣，利用電解水制取氧氣，利用過氧化鈉固體與二氧化碳制取氧氣等方法，對幾種制取氧氣方法的條件、速率、安全性等方面進行了對比研究與分析。

表1 幾種制取氧氣的方法及制氧速率的實驗測定對比分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，在學(xué)校現(xiàn)有實驗室的條件下，幾種方法制取氧氣的速率均低于人體正常呼吸對氧氣消耗的速率（0.008 9 g/s）。

當(dāng)然，從理論上分析，若改變實驗的條件，如提高反應(yīng)溫度，增大電壓、電流等，能在一定程度上提高制取氧氣的速率，從而達到人體對氧氣消耗的速率，但這樣需增大裝置的體積、增加耗能等。

從過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制取氧氣速率的測試實驗中可看出，增大過氧化鈉與空氣的接觸面積，可提高制取氧氣的速率，同時提高消耗二氧化碳的速率。通過實驗與分析發(fā)現(xiàn)，采用過氧化鈉與空氣中的二氧化碳反應(yīng)制氧的方法，不需要其他條件，還很安全，同時能消耗掉人體呼出的二氧化碳，正好滿足本項目的需求。因此，本項目優(yōu)選過氧化鈉與空氣中二氧化碳反應(yīng)制取氧氣的方法。

三、方案設(shè)計與分析

鳥類的呼吸系統(tǒng)（如圖1）采用氣管—肺—氣囊的連接方式。由于有氣囊的輔助作用，吸氣時大量的新鮮空氣由氣管經(jīng)過肺進入氣囊，并暫時儲存起來，部分新鮮空氣在肺內(nèi)進行氣體交換。呼氣時，肺內(nèi)己經(jīng)進行了交換的空氣先經(jīng)過氣管排出肺，同時儲存在氣囊內(nèi)的新鮮空氣進入肺，繼續(xù)進行氣體交換。

圖1 鳥類呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這種方式能讓鳥類在吸氣與呼氣的過程中都有大量的新鮮空氣在肺內(nèi)進行氣體交換，從而形成了它們?yōu)檫m應(yīng)飛行生活特有的雙重呼吸方式。

受此啟發(fā)，我們的裝置也效仿鳥類呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理進行設(shè)計。裝置結(jié)構(gòu)如圖2，包括面罩、顯示器、導(dǎo)氣管、空氣監(jiān)測艙、呼吸艙、控制盒、儲氣室、彈性緩沖囊等。

圖2 仿鳥呼吸式汽車落水再生制氧生命保障裝置結(jié)構(gòu)圖

面罩的呼吸腔通過導(dǎo)氣管與空氣監(jiān)測艙相連，空氣監(jiān)測艙內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器，空氣監(jiān)測艙的一側(cè)與呼吸艙相連，呼吸艙內(nèi)放置過氧化鈉。為了增大過氧化鈉與空氣的接觸面積，將過氧化鈉的反應(yīng)芯設(shè)計成仿蜂窩煤球結(jié)構(gòu)式（如圖3），在呼吸艙外側(cè)設(shè)有風(fēng)扇，能加速空氣流動，提高空氣與過氧化鈉反應(yīng)的速率。

圖3 仿蜂窩煤球反應(yīng)芯結(jié)構(gòu)圖與實物圖

在控制盒內(nèi)設(shè)有Arduino uno控制板、sim800A通 信 模 塊、UNV-UBLOX-GPS全球衛(wèi)星定位模塊、電源等控制電子器件，用來監(jiān)測經(jīng)過空氣監(jiān)測艙的氧氣與二氧化碳的含量，并實時顯示在顯示器上。

當(dāng)氧氣含量低于設(shè)定的19.5%或二氧化碳含量高于設(shè)定的0.1%時，啟動風(fēng)扇，加速呼吸艙內(nèi)空氣與過氧化鈉反應(yīng)的速率。同時當(dāng)裝置內(nèi)的氧氣含量低于19.5%或二氧化碳含量高于0.5%時，發(fā)出報警聲，提醒車內(nèi)人員需盡快游出水面。

通過程序控制，只要當(dāng)裝置的電源開關(guān)閉合，裝置通電后，Arduino控制板便能從GPS全球衛(wèi)星定位模塊獲取經(jīng)緯度地址數(shù)據(jù)，然后通過sim800A通信模塊向指定的手機發(fā)送中文短信“我的汽車意外落水，目前有生命危險，請速來救援！”以及汽車落水的時間、地點的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)（如圖4），以便救援人員在經(jīng)緯度定位器上進行定位查詢與導(dǎo)航，以最快的速度來到事故地點進行救援。

圖4 裝置向手機發(fā)送的求救信息

四、裝置制作

我們按設(shè)計的方案，從網(wǎng)上購買了Arduino uno控制板與拓展板、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、LCD1602顯示屏、sim800A通 信 模 塊、UNV-UBLOX-GPS全球衛(wèi)星定位模塊、電源、潛水呼吸面罩、伸縮折疊塑料盆等材料，利用科技室的材料與設(shè)備，完成裝置的加工與制作。裝置實物如圖5。

圖5 仿鳥呼吸式汽車落水再生制氧生命保障裝置實物圖

五、創(chuàng)新點

1.本項目針對汽車落水后車內(nèi)人員逃生時遇到的問題，提出車內(nèi)人員自主再生制氧逃生理念，為提高汽車落水后車內(nèi)人員的生存率提供了一種新思路。

2. 本項目模仿鳥類雙重呼吸方式以及蜂窩煤球反應(yīng)芯結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了能自主利用呼出的二氧化碳再生制氧，維持車內(nèi)人員生命的功能。

3. 測定了實驗室條件下多種方法制取氧氣的速率，為本項目優(yōu)選制氧方式提供了保障，同時依據(jù)實驗測定獲得的數(shù)據(jù)，確定了裝置的基本參數(shù)，保證了裝置的靈敏性與可靠性。

綜上所述，本項目具有重要的實用價值和推廣使用價值。

專家點評

該項目是一項獨辟蹊徑的發(fā)明作品。在項目的實施過程中，幾位同學(xué)采用了資料分析法、對比實驗法、仿生法、建模法等科學(xué)方法，穩(wěn)步實踐，從知識與能力上不斷突破，使最初的設(shè)想變成了現(xiàn)實。

值得思考的是：一，怎樣做到在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，并產(chǎn)生出人意料的獨特創(chuàng)意；二，怎樣運用STEAM教育理念和方法，將所學(xué)的生物學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識綜合應(yīng)用，在著重提升自己跨學(xué)科知識綜合應(yīng)用能力的同時，解決好實際問題；三，怎樣通過項目的實踐，學(xué)會與人合作，提升自己在科技創(chuàng)新實踐中的合作能力。