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?。因此，針?duì)頭部的保護(hù)顯得尤為重要，文章設(shè)計(jì)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(shí)頭部受到的沖擊力。同時(shí)，其集成了聲光報(bào)警模塊，旨在摔倒時(shí)能夠自動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)，提高摔倒者被救助的及時(shí)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(shí)別;聲光報(bào)警

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

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.050

2013年，我國(guó)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(zhǎng)，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(jì)，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(guó)內(nèi)針對(duì)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(bào)警”兩個(gè)方面[6-7]。前者的創(chuàng)新要點(diǎn)在于，緩沖防護(hù)墊能在老年人摔倒時(shí)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(bào)警有機(jī)結(jié)合，保護(hù)效果有限。文章設(shè)計(jì)制作了摔倒后報(bào)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(shí)，其集成了聲光報(bào)警模塊，摔倒時(shí)能夠自動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)，可以提高被救助的及時(shí)有效性。

1 設(shè)計(jì)思路

通過對(duì)頭部及摔倒?fàn)顟B(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)摔倒時(shí)頭部的著地點(diǎn)主要為頭部?jī)蓚?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(shí)硬著地帶來(lái)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(yáng)帽相仿，簡(jiǎn)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(shí)，聚合物鏈有時(shí)間移動(dòng)并重新排列，因此粘度減小;如果快速施加作用力時(shí)，聚合物鏈沒有時(shí)間重排，將會(huì)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(jí)結(jié)構(gòu)），聚臺(tái)物更容易流過。去除應(yīng)力時(shí)，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(wú)規(guī)卷曲解開并且彼此纏結(jié)，提高粘度。去除應(yīng)力時(shí)，聚合物恢復(fù)到無(wú)規(guī)線團(tuán)狀態(tài)。

聲光報(bào)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(shí)時(shí)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(bào)。

2 實(shí)物介紹

依據(jù)多功能帽設(shè)計(jì)圖及聲光報(bào)警電路圖的分析結(jié)果，采購(gòu)相關(guān)材料與電子元器件，包括太陽(yáng)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(bào)警器等。以太陽(yáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了摔倒模型中觸發(fā)聲光報(bào)警的功能。集成了摔倒時(shí)頭部保護(hù)并及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警功能的多功能帽原型樣機(jī)實(shí)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(bào)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(shí)，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(shí)，則自動(dòng)發(fā)動(dòng)聲光報(bào)警器向周圍發(fā)出求救信號(hào)。一方面，可以解決老人摔倒后因意識(shí)喪失不能自主向外界求助而影響救助及時(shí)性的問題;另一方面，聲光報(bào)警方式的結(jié)合，可以有效將求助信號(hào)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(hào)較快指引施救者來(lái)到摔倒老人身邊，實(shí)施及時(shí)救助。在摔倒模型測(cè)試中，文章所設(shè)計(jì)制作的多功能帽原型樣機(jī)，對(duì)各種摔倒姿勢(shì)的報(bào)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(shí)，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(guó)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(shí)用價(jià)值。力學(xué)測(cè)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(cè)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(shí)地面沖擊力對(duì)老人頭部的傷害。

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)制作了用于摔倒后報(bào)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(shí)頭部可能受到的沖擊力。同時(shí)，結(jié)合聲光報(bào)警，在老人摔倒時(shí)自動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)，提高其被救助的及時(shí)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(xiǎn)。

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