淺析靜脈瓣仿生設計在垃圾管道中的應用＊

馬寶峰，郜路明，梁 晉

（太原學院，山西 太原 030000）

靜脈瓣是存在于人體靜脈血管中的一種結構，瓣膜形狀大多以半月形雙葉瓣為主。其作用是使靜脈血單向向心臟方向回流，即起到單向閥門的作用。當血液向心臟方向流動時，瓣膜貼附在靜脈壁上，靜脈通暢無阻，當站立或其他原因引起靜脈壓力增高時，引起靜脈血逆向流動。在逆向血流的沖擊下，靜脈的2個瓣葉張開靠攏，來阻止靜脈逆流。

靜脈瓣在人體的分布很不平衡，分布的一般規律：受地心引力較大、血液回流比較困難部位的靜脈瓣特別發達，反之則完全無瓣或數目較少。例如，四肢的靜脈瓣最多，下肢多于上肢；中等口徑的靜脈瓣一般都比較豐富，而小靜脈和大靜脈干內很少有瓣。靜脈瓣的平面示意圖如圖1 所示。

圖1 靜脈瓣平面示意圖

在生活中，靜脈曲張正是因為無靜脈瓣或靜脈瓣受損。不少醫生和學者對此進行了大量的研究，秦月琴等[1]通過研究靜脈瓣與力學之間的關系，得出瓣膜具有一定的強度，能承受一定的負載；張永珍等學者通過比較3 種不同方法制備的帶瓣靜脈脫細胞支架的組織學、生物學特性，得出反復凍融法對脫細胞帶瓣靜脈支架結構損傷較小、生物相容性好，是一種制備脫細胞帶瓣靜脈支架材料較好的方法。同時，世界上不少公司已研發出相對成熟的靜脈瓣膜，Hancock Jaffe Laboratories 開發了一種生物靜脈瓣膜VenoValve?，該瓣膜是不銹鋼瓣架和豬主動脈單瓣葉的組合，用于糾正或減少深靜脈系統內的靜脈反流，治療下肢慢性深靜脈功能不全；德國Fraunhofer 制造工程和自動化研究所的科學家和RWTH Aachen 大學Helmholtz 生物工程研究所合作開發了一款由聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）制成的人工瓣膜；國內杭州啟明醫療器械有限公司研發出中國首個經導管人工瓣膜“Venus A-valve”。

目前專家和學者對靜脈瓣的研究主要在于人體靜脈瓣移植和人工瓣膜的選取與制作，而本文主要研究的是基于靜脈瓣的原理進行仿生設計以運用在垃圾管道之中并對類靜脈瓣裝置的關鍵參數進行計算。

1 研究背景

1.1 垃圾管道實施現狀及問題

1.1.1 垃圾管道的實施現狀

隨著人們對生活條件和環境要求的日漸提高，垃圾管道由傳統的以人力清運方式逐漸轉變為運用垃圾氣力輸運系統。該系統具有高效率、節能和環境友好等突出特點，大大提高了垃圾回收的效率，縮減垃圾回收處理的周期，代表了城市垃圾回收的發展方向。

垃圾收集系統根據垃圾投放口的位置分為室外型和入戶型。室外型的垃圾收集系統投放口位于建筑外部，用戶需要將垃圾打包后帶到建筑外，投入垃圾投放口中；入戶型的系統在每一個樓層內都有一個垃圾投放口，用戶在樓層之內即可實現垃圾投放[2]。1961 年瑞典CENTRALSUG 公司首次提出并發明了真空垃圾管道收集系統，其最早用于醫院垃圾回收，自1967 年起開始在住宅區裝配使用[3]。目前在國外應用廣泛且技術相對成熟的氣力垃圾管道收集流程如圖2 所示，它主要應用于密集的商業區和住宅區及一些對環境要求較高的地區。

圖2 氣力垃圾管道收集流程

目前，國內上海浦東國際機場和廣州白云新國際機場采用了瑞典ENVAC 系統（ENVAC 公司前身即上文所提到的CENTRALSUG 公司），該系統的投入使用有效減少了機場龐大的人流量與產生大量垃圾之間的矛盾與沖突。上海泰晤士小鎮是國內首個使用垃圾管道輸送系統的住宅區，服務范圍為500 戶，投放口共計93 個，排放閥數共計20 個，管道總長度1 000 m。為徹底解決垃圾收集過程中產生的二次污染問題，廣州市市容環衛局在金沙洲引入垃圾管道輸送技術，已建成的3 號系統，收集垃圾56 t/d。此外，中國人民解放軍總醫院、上海世博會、西班牙“巴塞羅那”奧運村、葡萄牙里斯本世博會等項目均采用了垃圾管道輸送技術。

1.1.2 垃圾管道目前存在的問題

就目前垃圾管道的研究來看，現代垃圾管道在流程上已經較為完善，從垃圾投放始至垃圾處理終包括了垃圾分離器、抽風機、垃圾壓縮機、除塵器、消聲器等設施。但對于垃圾管道這樣一個復雜的系統，要想做到穩定運行并不容易，目前仍存在一些技術難題，例如彎道磨損、異味上竄、管道堵塞、動力系統保證不足等一系列問題[4]。

彎道磨損。在垃圾管道彎曲的部分，垃圾會與管道側壁發生碰撞，垃圾高度越高、質量越大、物體越堅固，對管道的破壞力就越大，一般情況下，管道曲率越大，碰撞越激烈，減速也越快，長期以來會使得管道破損引發管道漏氣。

異味上竄。在垃圾管道中，垃圾產生的氣體由于在封閉空間里一直存在，致使人們在打開垃圾投放口時，總能聞到陣陣惡臭。

管道堵塞。引起垃圾管道堵塞的情況主要有以下2種：①在下落過程及彎道處，垃圾與管壁和彎壁碰撞減速，容易引起垃圾聚集，造成堵塞；②由于人為的因素，將一些非生活垃圾投入垃圾管道，致使物體在下落過程中卡于管壁之間造成堵塞。

1.2 仿生設計

仿生設計是通過模仿自然界中生物的生活習性及特殊本領，并利用工業設計的思維創新方式，將仿生物的形態、結構及功能方面的特性合理運用到產品設計中[5]。

隨著仿生學的不斷發展，仿生設計在產品設計領域中應用廣泛。通過對蚊子上顎表面非光滑狀態的研究，設計出注射器針頭；通過對鯨、海豚圓潤頭部以及光滑的身體曲線的研究，設計出輪船外觀頭部及外觀流線；科學家根據青蛙眼睛的特殊構造研制了電子蛙眼，用于監視飛機的起落和跟蹤人造衛星；根據空氣動力學原理仿照鴨子頭形狀而設計出了高速列車；通過對螢火蟲發光原理的研究，獲得了化學能轉化為光能的新方法，從而研制出化學熒光燈等。

對生物習性和特點的仿生設計是從自然界生物中汲取靈感展開設計的過程，可以對現有的產品進行不斷的創新改善，促進人與自然的和諧，打破傳統的設計觀念，為設計者提供不同的思路，為產品市場不斷提供新鮮血液。通過仿生設計，設計者不會局限于產品設計和性能，他們可以在產品設計過程中加入一些自然界的元素，以設計出美觀而富有趣味性的產品。自然界的各類生物在不斷進化過程中形成了不同的結構和功能，對其研究常常能為設計師帶來全新的功能實現方案，開發新的產品功能。

通過對靜脈瓣的研究發現其具有以下特點：①單向性。當肌肉收縮時，靜脈內的血液被壓縮，瓣膜張開；當肌肉擴張時，瓣膜關閉，防止血液發生逆流[6]。②復雜性。靜脈瓣的開合受壓力梯度、骨骼肌泵、重力和呼吸泵等多種機制共同作用。③受損不可逆性。因長期站立或其他原因導致肌肉收縮靜脈瓣長期處于張開狀態，使得靜脈瓣無法閉合，一旦靜脈瓣受損，難以恢復。④多個共同作用。在人體中，靜脈瓣一般都是多個共同作用以達到防止血液倒流的效果。

基于這些特點，可將仿生設計應用于垃圾管道之中，對下落的垃圾起到減速和緩沖的作用以及防止垃圾管道內異味上竄給人們的生活帶來不便。

2 必要性及可行性分析

2.1 必要性分析

隨著中國城市化生活進程的加快，再加上居民生活水平的不斷提升，城市生活垃圾產生量保持穩定增長的趨勢，近年來中國已成為世界上城市生活垃圾處理壓力最大的國家之一。就國內情況而看，目前實施垃圾分類只在一些試點城市，尚未普及到國內每個省份，通過政策的引導和處罰讓城市居民自覺進行垃圾分類，垃圾分類的基礎設施和流程尚未完善。相比國外，居民住宅樓已經配有垃圾管道系統，通過不同的垃圾管道來對不同類型的垃圾進行分類、集中和處理。從這個角度來看，中國精準地實行垃圾分類還有很長的路要走。

垃圾管道在國內推廣受阻的原因之一是建設和維修成本大。日常的垃圾管道清潔和疏通的費用雖然較大，但垃圾管道為人們日常生活也帶來較大的便利，這促使垃圾管道的普遍應用成為發展的大趨勢，面對目前垃圾管道存在的技術難題和人們對垃圾管道系統的接納度低等問題，應當及時運用新興的科學技術、工業化生產、創新營銷手段以及仿生設計等方法不斷克服垃圾管道在普及路上的困難，以便利日常生活，為人們提供美好的生活環境，從源頭上對垃圾分類精準把控，減少垃圾資源的浪費，為社會創造一定的經濟效益。所以對垃圾管道的設計進行改造創新，減少建設、維修成本成為了不可忽略的一個問題。

2.2 可行性分析

2.2.1 材料可行性

靜脈瓣在選材過程中必須考慮是否透氣、是否易損、是否有彈性、是否易恢復等因素，所以靜脈瓣在選材過程中不能選擇過于柔軟也不能選擇過于堅硬的材料，所選的材料表面必須是粗糙、不透氣、不易損、易于恢復的材質。選擇不同的材料對垃圾下落過程的削弱速度大小不盡相同，在實際選取中，需要通過計算不同材料之間的實際應用效果來確定，而在本文第三節中計算了類靜脈裝置關鍵參數，可以此為參考來選擇合適的材料。

2.2.2 技術可行性

靜脈瓣是貼附于管壁的膜瓣裝置，瓣膜必須與管壁之間緊密貼合為一個整體。目前，3D 建模、3D 打印、鑄造、粘附等工藝流程逐漸完善，通過這些技術可以對含有靜脈瓣裝置的管道的生產提供技術支持。此外，隨著計算機系統的不斷發展，在對靜脈瓣的原理進行仿生設計之前，可通過計算機系統對靜脈瓣的預期效果和潛在問題進行仿真并不斷完善仿生設計，以確保在實際應用中能達到預期效果。

2.2.3 經濟可行性

類靜脈瓣裝置與管道連接處易于拆卸，如遇類靜脈瓣裝置受損、垃圾管道堵塞等問題，可將類靜脈瓣裝置卸下，更換類靜脈瓣裝置和清理管理，在很大程度上減少了維修和維護成本。

3 類靜脈瓣裝置的設計與應用

3.1 類靜脈瓣裝置的設計

通過對靜脈瓣的研究可知，靜脈瓣具有單向流通性和緩沖作用。可在垂直管道中增加類靜脈瓣裝置對垃圾下落的過程起一個緩沖作用，使得垃圾在下落過程中通過降低速度、減少沖擊力來保護管道。安裝了類靜脈瓣裝置后，類靜脈瓣裝置張開讓垃圾下落后閉合，防止異味上竄，而使異味通過抽氣機凈化達到環境友好的效果。

通過物理方面相關研究，可以將類靜脈瓣裝置視為一個減速裝置，垃圾在通過類靜脈瓣裝置的過程中，由于類靜脈瓣裝置的阻擋和摩擦使得下落速度減慢，隨后在重力的作用下繼續加速，再次通過類靜脈瓣裝置時，將由于重力產生的速度繼續抵消，如此循環，可以視垃圾在整個下落過程中為一個近乎恒定的速度來減少巨大沖擊力對底部垃圾管道的損壞。

考慮到實際生活中，可能存在空氣阻力以及管壁碰撞等因素致使垃圾減速，故在設計垃圾投放口時，可提升垃圾投放口的高度，增加垃圾在進入第一個靜脈瓣的速度以減少因速度過慢而造成管道堵塞的可能。

3.2 類靜脈瓣裝置關鍵參數計算

垃圾管道類靜脈瓣裝置設計的關鍵是能夠對下落的物體起到削弱速度的作用，因此在設計類靜脈瓣的過程中不能忽略類靜脈瓣裝置對其削弱速度的大小以及需設計幾個類靜脈瓣裝置共同作用，一方面要保證垃圾能夠正常降落至垃圾管道的底部，另一方面要保證防止異味上竄的作用。對此，通過計算模擬了類靜脈瓣裝置的數量和類靜脈瓣裝置削弱速度大小的關系以及垃圾在下落過程中所受的支持力大小。

假設垃圾在剛下落時初速度為0，為避免垃圾下降速度過慢所導致的堵塞，每層垃圾投放口需提升投放高度h1=3 m（提升高度可通過管道工藝設計達到），在通過類靜脈瓣裝置后削弱速度V2，隨后重力導致加速，在通過下一類靜脈瓣裝置時將其削弱，如此反復，使得垃圾在管道里以近似V3的速度一直下落，假設每層樓之間的高度h1=3 m，每層樓之間安裝2個類靜脈瓣裝置（0 m 處和1.5 m 處各一個），重力加速度g=9.8 m/s2，便得出以下公式：

式（1）—（5）中：V1為垃圾在進入第一個類靜脈瓣裝置前時刻的速度；h1為一層樓的高度；V2為垃圾被類靜脈瓣裝置削弱后的速度；V3為垃圾在通過第一個類靜脈瓣裝置后和第二個類靜脈瓣裝置后時刻的速度；V4為垃圾在進入第二個類靜脈瓣裝置前時刻的速度；h2為第一個類靜脈瓣裝置和第二個類靜脈瓣裝置間的高度。

通過計算，得出：V2=2.25 m/s。

若擴展至每層樓之間安裝2～4 個類靜脈瓣裝置，其每個類靜脈瓣裝置之間的間隔距離和需要削弱的速度大小，如表1 所示。

表1 類靜脈瓣裝置間間隔距離和削弱速度大小參數

假設垃圾在下落過程中所受到的支持力F是與重力方向相反，可得出以下公式：

式（6）（7）中：Δt為垃圾與類靜脈瓣裝置的接觸時間；m為垃圾的質量；Δv為是垃圾速度的變化量。

聯立式（6）（7）可得：

垃圾在通過類靜脈瓣裝置時會與類靜脈瓣裝置產生接觸時間Δt，在接觸時間Δt后會使得垃圾的速度變慢，其速度的變化量Δv即為表1 中需要削弱的速度大小。在日常生活中，生活垃圾質量通常在2～4 kg，取最大值m=4 kg 進行計算，由式（8）計算，可以得出物體在下落過程中所受到的支持力F與垃圾和類靜脈瓣裝置接觸時間Δt的關系（以每層樓間安裝3個類靜脈瓣裝置為例），如表2 所示。

由表2數據看出，類靜脈瓣裝置的數量越多，每個類靜脈瓣裝置之間間隔的距離越短，其每個類靜脈瓣裝置削弱的速度也逐漸減少，由式（8）可得出類靜脈瓣裝置的支持力F和垃圾速度的變化量、垃圾與類靜脈瓣裝置的接觸時間相關，可通過計算，為后續類靜脈瓣裝置的選材、設計所具備的特性提供了理論數據。

表2 支持力F 與垃圾和類靜脈瓣裝置接觸時間Δt 的關系

4 結束語

靜脈瓣作為人體靜脈中的一個膜瓣結構對人體的血液流向起著至關重要的作用，將其原理應用到產品設計上同樣可以起到防倒流的作用。將其應用到垃圾管道中，可以降低垃圾對管道的破壞，降低維修成本；控制管道內氣體單向流通，有效解決垃圾產生的刺鼻氣味和招引蒼蠅的問題，給居民們創造一個干凈衛生的生活環境。與此同時，隨著垃圾管道的普遍應用，能夠對垃圾從源頭進行分類，解決垃圾資源嚴重浪費問題，減輕垃圾處理的負擔，大力發掘垃圾的價值，為社會和國家創造一定的經濟效益。

如何從源頭將垃圾分類一直是一個重要的問題。隨著社會進步和科技的發展，傳統垃圾管道不斷發展至環保清潔的垃圾管道，通過垃圾管道來引導人們將垃圾進行分類可能是該問題的答案。但是鑒于垃圾管道建設成本較高，技術不夠成熟等多方面原因，垃圾管道未能普遍應用于人們的日常生活中，所以對垃圾管道的研究探索不能止步于此。

本文的研究仍存在許多不足之處，在類靜脈瓣裝置設計參數的計算中只在理想狀態下計算了關鍵參數，而不同材質的阻隔效果可能導致不同情況，垃圾在下落過程中受到管壁的摩擦以及空氣阻力的作用對垃圾下落的速度也存在一定的影響等等，所以材質的應用研究、實驗模擬等也應該是類靜脈瓣裝置設計的研究方向。