一種新型踩壓式驅蚊運動鞋裝置

吳屹寒，姜奕文

（上海中學東校，上海 200120）

0 引言

近年來，面對世界未有之大變局，社會也隨之迅速發展，世界各國開始加大力度發展新能源，例如水能、潮汐能、風能、太陽能等可再生新能源。工業的迅速發展也要求我們要不斷地開拓新能源，正是在這樣的大背景下，壓力發電作為一種新能源也應運而生[1]，應用于生活的方方面面。劉沁等[2]結合壓力發電和風力發電的優勢應用于室外籃球架的照明系統中；初豪杰等[3]設計了一種基于新型絲桿機構的發電保溫鞋；金皖東[4]更是提出了一種道路壓力發電系統涉及方法，新能源汽車快速充電樁[5]、人形橫道[6]、照明裝置[7]等也層出不窮。其原理主要是電力發電系統由永久磁鐵和導電線圈兩部分組成，核心在于動生電動勢的產生。當有壓力施加于裝置上時，裝置會將作用的壓力經內部線圈轉變為正弦式交流電，經整流電路和穩壓濾波電路的作用，輸出穩定的直流電，較有效地將機械能轉化為電能，該壓力發電裝置在利用壓力發電的過程中不會對環境產生任何污染，能夠在綠色環保的前提下達到產生電能的目的[8-10]。

同時，隨著時代的發展，家長更加注重對孩子的培養問題，無論是從學習、生活還是娛樂、安全，都盡自己所能給孩子最好的，細無巨細。夏季，父母常常因為孩子選擇什么樣的驅蚊產品而感到苦惱，青少年也常因蚊蟲叮咬而感到不安。青少年皮膚嫩、新陳代謝快，喜動愛出汗，因此常挨蚊子叮咬。雖然被蚊蟲叮咬是夏季不可避免的事情，但可能會因為瘙癢難耐抓破皮膚，造成感染，嚴重的會起水皰，甚至合并感染，引起急性腎炎。在蟲咬皮炎中蚊蟲叮咬引起的皮炎是最常見的。蚊蟲可以用口器刺傷皮膚，讓毒腺侵入皮膚，由于蚊蟲毒腺中有許多抗原成分，這些抗原在進入人體皮膚后可與抗體產生變應性反應而引起炎癥。嚴重時局部會產生大皰、出血性壞死等嚴重反應，是夏季皮膚科常見病癥。因此，一個效果好的驅蚊產品的選擇竟成為了讓父母頭疼的事情。因此，本項目采用壓力發電的原理制作出一款新型的驅蚊產品-新型踩壓式驅蚊鞋，以解決花露水刺激皮膚、易揮發作用持續時間短，驅蚊手環驅蚊范圍窄，驅蚊貼對皮膚刺激性強[11-12]，電蚊香不方便攜帶等問題。

1 新型踩壓式驅蚊鞋的構成

在行走過程中，人們常常習慣于腳掌部分先著地，因此，鞋是在行走過程中的受力比較大的部分是腳掌到腳趾的位置，在這一部分需要放置發電模塊進行發電；鞋子腳掌和后跟之間的位置呈微型凹狀受力不均勻，適合放置蓄電池。

根據目前的壓力發電的裝置[13]、驅蚊產品[14]，再結合鞋底內部的特征設計，成功研制了一種符合人體生理構造的新型踩壓式驅蚊運動鞋。該驅蚊鞋利用人體行走進行發電的方法改善著人們的運動習慣，很大程度上彌補了傳統驅蚊產品所存在的驅蚊效果差、攜帶不方便的缺點，整體設計環保、健康、完全適合當今社會發展綠色經濟的需求。

如圖1 所示，新型踩壓式驅蚊運動鞋整體由8 部分組成：加熱裝置、蓄電池、過壓保護裝置、穩壓模塊、指示燈、電機、感壓裝置、壓力發電裝置。新型踩壓式驅蚊運動鞋整體具體裝置見表1。

表1 新型踩壓式驅蚊運動鞋整體具體裝置

圖1 新型踩壓式驅蚊運動鞋整體組成

（1）加熱裝置：通過加熱片對儲片罐中的蚊香片或蚊香液加熱，試其散發出具有驅蚊效果的氣體。

（2）蓄電池：一部分電能通過使用電路直接作用于加熱驅蚊片，多余的電能則通過儲能電路被蓄電池所收集并儲存起來，以便后續在無踩壓時驅蚊片的持續加熱。

（3）過壓保護裝置：防止瞬間電流過大燒壞電路板。

（4）穩壓模塊：可構成高效穩壓電路。

（5）指示燈：該指示燈是用來顯示該驅蚊鞋的工作狀態。踩壓、內有蚊香液或蚊香片時，指示燈點亮。無踩壓或蚊香片、蚊香液用盡后，指示燈熄滅。待補充新的蚊香片或蚊香液后再踩壓，指示燈亮。

（6）電機：利用機械能轉化為電能。

（7）感壓裝置：感受壓力信號，并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號。

（8）壓力發電裝置：踩壓裝置上時，壓感軸繞其圓心旋轉通過增速模組，增加發電機相對壓感軸的轉速比，因而增大了發電機的轉速使得其輸出電壓增加。

2 工作原理

壓力發電裝置由內部的多組導電線圈和永久磁鐵組成，其主要功能是當外界壓力施加到裝置上時，壓感軸繞其圓心旋轉通過增速模組，增加發電機相對壓感軸的轉速比，因而增大了發電機的轉速使得其輸出電壓增加。但是通過旋轉只能是單向，撤銷時為了使其復位我們需要增加彈簧，本發明采用的時扭簧，相對于普通壓縮彈簧而言對于結構的空間利用率更高，因為減速器采用的是齒輪所以其即可以正向運用也可以反向運動，所以我們就必須利用類似自行車腳踏結構的荊棘輪，從而解決了單向運動問題，如圖2所示。裝置整體如圖3 所示。

圖2 壓力發電裝置圖

圖3 整體裝置爆炸圖

3 主要技術性能指標

（1）多選擇化：根據每個人習慣和外出情況不同，選擇不同的蚊香片模式，團隊設計的蚊香片模式根據前期實驗，設置了兩種選擇模式序，方便使用者自主選擇。

（2）安全可信性：對蚊香片和蚊香液的成分作了相關的試驗，蚊香片、蚊香液都選用無毒無害的純天然物質，并配有相應的蚊香片夾及蚊香液注射管替換用盡的蚊香產品，確保其綠色環保、對人體沒有副作用。

（3）可操作性高：整個過程只需更換用盡的蚊香片或蚊香液，對操作者文化技術要求較低，適用于青少年。

（4）人性化設計：符合人體生理構造，通過指示燈的亮滅來展示工作狀態，以及蚊香片或蚊香液的耗盡程度，以便使用者辨別裝置是否正常工作，蚊香產品是否需要更換。

4 裝置操作流程

手工操作流程：用戶穿鞋-彈簧按鍵觸發-彈簧按鍵按壓觸感裝置-鉛蓄電池給發熱片供電-發熱片發熱給驅蚊片加熱-驅蚊片工作-脫鞋停止工作，手工操作流程如圖4 所示。

圖4 手工操作流程

內部機械工作流程：走路-壓桿繞壓桿軸旋轉-荊爪帶動荊棘輪順時針旋轉-荊棘輪帶動發電機發電-發電機正負極連接過呀保護裝置-穩壓模塊-蓄電池；荊爪帶動荊棘輪順時針旋轉后，扭簧將壓桿復位，通過荊棘輪結構使得發電機保持靜止。內部機械工作流程如圖5 所示。

圖5 內部機械工作流程

5 裝置優點

（1）本裝置安裝于鞋底更輕巧、便攜，因所有裝置安裝于鞋底內部，防止因孩子操作不當而造成裝置的損壞。

（2）本裝置添加蚊香片和蚊香液更方便、安全，采用配套的蚊香片夾及蚊香液注射管替換用盡的蚊香產品，保證使用者不與蚊香產品直接接觸，確保青少年的安全使用。

（3）驅蚊模式分為兩種模式。

①蚊香片模式：適合短時間使用，數小時之后更換蚊香片后仍可繼續使用。

②蚊香液模式：適合長時間使用，一瓶液體可使用數天后再補充。

使用者可以根據具體情況合理選擇驅蚊模式。蚊香片模式，適合短時間使用，數小時之后更換蚊香片后仍可繼續使用。蚊香液模式，適合長時間使用，一瓶液體可使用數天后再補充。但由于長距離外出需要乘坐火車、飛機等交通工具，相關部門對于液體攜帶有明確規定，因此蚊香片模式是長途旅行的最佳選擇，而蚊香片模式更適合就近游玩時使用。

（4）本裝置利用壓力發電原理，在壓力發電的過程中不會對環境產生任何污染，能夠在綠色環保的前提下達到產生電能達到驅蚊的目的。

6 結語

從目前的發展前景來看，家長越來越傾向于為青少年使用驅蚊效果明顯、無副作用、經濟實惠、純天然制作、無刺激性氣味、使用方便的新型驅蚊產品，并且面對國家的號召，無論是家長還是社會都十分渴望綠色環保的相關產品的發布。壓力發電技術的推廣，無疑將會成為當代社會對新能源需求的主流，壓力發電過程不會產生破壞生態環境的物質，同時能夠節約許多能源。將壓力發電應用到各個領域中，也將會被大眾所關注的。一旦壓力發電應用到我們生活的方方面面，將會產生巨大的經濟價值與生態價值。因此，我們必須用好壓力發電這一原理，與我們生活緊密結合，探索出更多更好的綠色環保的新產品，為我們國家工業的發展貢獻自己一份力量，為保護全球環境添磚加瓦！

新型踩壓式驅蚊鞋，為家長解決了為青少年挑選驅蚊產品的煩惱。特別是中小學生，由于心智不夠用成熟、文化水平較低，對于防蚊蟲叮咬偶的意識不足，在夏季對蚊蟲的防避均需要家長不停的叮囑，外出家長還要經常隨身攜帶花露水、驅蚊膏等驅蚊產品，這無形中給父母增加了更多的工作壓力，因此我認為新型全踩壓式驅蚊運動鞋能夠解放父母，同時鍛煉和培養孩子的自理能力，自己替換蚊香片、蚊香液，做到自己的事情自己做，具有很大的經濟前景和社會前景。同時本裝置的蚊香片、蚊香液采取無毒無害的產品，對于青少年而言是絕對安全的，解決了父母們的后顧之憂。有了它，父母再也不必外出時時時刻刻跟在孩子身旁用扇子扇或催促噴涂花露水了，有了它外出青少年再也不怕蚊蟲叮咬了，相信它會給家長帶來方便，給青少年帶來無蚊蟲叮咬的快樂！