GPS定位緩沖減振鞋

隨著年齡的增長，老人們的記憶力逐漸下降，尤其是阿爾茨海默病患者，出了家門就很難順利找到回家的路，而且長時間行走會對老人的膝蓋造成傷害。有些小孩趁大人不備偷偷溜出去玩，想回家時又記不準回家的路。為了保證老人、小孩們能安全回家，家人會為其佩戴定位手表或電話手表。

通過試用，我發現目前市面上的這些設備還存在一定的缺陷，比如定位不準，未及時充電導致突然斷電等。針對上述問題，我開展了研究。

一、設計目的

制作一款能持續充電、具有GPS定位功能且能減振的鞋子。

二、設計思路

1.在鞋底安裝GPS模塊，定位準確，能及時、有效地引導穿戴者順利回家。

2.人體膝蓋內的半月板一旦受傷后難以恢復，我想在鞋子內部安裝弧形金屬以保護半月板。

3.人在運動時有振動產生，我想在鞋子內的弧形金屬上加裝壓電陶瓷片，通過壓電陶瓷原理，將動能轉化為電能，為GPS模塊充電。

三、設計原理

1.壓電陶瓷的電效應原理

具有壓電效應的晶體被稱為壓電晶體，當沿著晶片的某些方向施加作用力使晶片發生形變后，晶片上相對的兩個表面會出現等量的正、負電荷。

壓電陶瓷發電裝置的核心是壓電振子。陶瓷材料很脆，一般將其與某種金屬彈性材料粘合，共同構成壓電振子。

2.壓電陶瓷發電裝置的電學等效模型

壓電振子的上、下表面在壓力作用下產生電荷，相當于一個電容，在其兩極產生電荷后儲存一定的能量。壓電振子可簡化為一個正弦電流源，與內在的電極電容并聯。

壓電振子在交變的外力或有規則的沖擊作用下，其電壓和電流都呈現交變特性，而給微型電池充電需要穩壓直流，故需對其進行整流。為了盡可能提高輸出電壓，我設計了三倍壓整流電路。

由于壓電陶瓷發電裝置產生的電壓、電流不穩定，瞬時電壓存在突變，而微型電池充電時需要恒壓、恒流的電源，所以要將突變的電流和電壓轉化為恒定的。

四、制作過程

基于壓電效應提供電能的GPS定位緩沖減振鞋由壓桿發電模塊、升壓模塊、鋰電池、GPS定位模塊等組成。

首先，我要找到將腳掌與地面接觸時的擠壓力轉化為電能的方法。我想到了兩種方法，一種是用磁力圈運動把機械能轉化為電能，并用鋰離子電池存儲電能。經過幾次試驗發現，磁力圈結構復雜且體積較大，不適合將其裝在鞋子內。第二種方法是，用壓電陶瓷片把動能轉化為電能，壓電陶瓷片體積小，外形可塑，再將電能儲存在微型電池中，即可解決供電問題。

接著是組裝鞋子的底部結構。首先確定壓電陶瓷的位置，因為其有減振功能，將其置于腳掌前端最有效。我將所有元器件組裝后試驗，發現無法給GPS模塊電池充電，原來是電壓不夠大，于是，我用升壓模塊將電壓升高后，此問題得以解決。

最后，在手機上下載云參謀定位App，與鞋子的GPS模塊連接，再運行參謀定位App軟件，檢驗能否查看人的運動歷史軌跡，可選擇智能模式和定時定位模式，實現實時追蹤。

五、創新點

1.GPS定位緩沖減振鞋的壓電陶瓷片為金屬材質，將其安裝在腳與鞋子的接觸面，能起到緩沖、減振的作用。

2.選用超級電容作為充電電容，容量大、壽命長，不易被損壞。

3.連接GPS定位模塊，老人或小孩若不慎走丟，家人及時登錄定位App，便可快速將他們找回。（指導老師：曾 萍）

專家點評

汪嘉瑞同學的“GPS定位緩沖減振鞋”項目從關愛特殊老年人和幼兒出發，體現了發明人的愛心與創新意識。

其一是在鞋子中增加GPS定位功能，便于家人尋找走失者;其二是項目運用的原理較獨特。現在的減振鞋主要有氣墊減振型：鞋跟處敷有氣墊，作為吸收沖擊力的一種方式。油包減振型：利用油包吸收緩沖力。材料減振型：應用吸振聚氨酯材料來達到減振的效果。減振鞋墊型：通過減振鞋墊來達到減振的效果。而本項目則采用金屬雙面拱形結構彈性緩沖減振方式，別具一格。

不過，這個項目值得商榷的方面有以下兩點：第一，老人、幼兒群體真的都適合穿這款鞋子嗎？第二，在“鞋子內部安裝弧形金屬”就一定會“有助于保護半月板，減少運動對半月板的傷害”嗎？