可自动杀菌鞋的设计

尹义鹏 李云芳

（临沂大学 机械工程学院，山东 临沂 276000）

1 研究背景及意义

普通鞋子很容易滋生细菌，产生异味，甚至可能诱发脚气以及其他皮肤病。对城市重点医院、普通诊所和城市人口“香港脚”的情况的调查问卷显示，城市人口中成年男性都有不同程度的“香港脚”问题，并且59.93%的“香港脚”患者会特别在意别人的看法。“香港脚”作为一种常见的影响生活以及健康的因素越来越受到不同程度的关注。目前，对于“香港脚”的治疗，一般会采用药物治疗的方式，但复发性太强。

为解决上述具有现实意义的问题，我们设计了能防止细菌滋生和自动杀菌的鞋子。该鞋子包括鞋体和安装在鞋体内部的电子控制装置。电子装置由能量装换装置、储能装置、温度监测装置和超声波发生装置组成。超声波清洗能够杀菌，其原理是穿透细菌细胞核，使其裂变而死。“香港脚”产生的根本原因是脚部在比较潮湿的鞋子这种细菌天然的温床条件下得不到充足的通风遭到侵害而产生的。利用超声波装置杀灭细菌，通风条件的设计使得患者拥有健康双脚。

2 主要功能和性能指标

设计的自动杀菌鞋子不仅可以用于登山鞋，也可以用于其他鞋子。设计的自动杀菌鞋，通过超声波发生装置发出的超声波特有的杀菌作用，利用能穿透细菌核的能力使其爆裂而死的原理起到保护双脚的作用。[1]温度检测器件能随时检测鞋子内部双脚的温度，判断是否应该启用杀菌功能。除杀菌作用外，透气功能较好的鞋子能预防再次产生“香港脚”。此杀菌鞋能预防和根治“香港脚”，而且舒适透气。

3 设计方案

此鞋子主要由鞋体和安装在所述鞋体内部的电子控制装置组成。电子控制装置包括将机械能转换为电能的发电装置、与能量转换装置连接并储存电能的储能装置、用于检测鞋体是否需要杀菌的温度检测装置和用于杀菌的超声波发生装置。能量转换装置和储能装置放置在鞋跟位置，温度检测装置设置在鞋掌下部，超声波发生器装置则放在鞋子前部，分布合理，效果理想。

本设计通过放置在鞋根位置的温度检测器件通过检测温度高低来判断所述鞋体是否需要杀菌。储能装置与超声波发生装置之间设置开关S，开关S 由温度检测器件控制。通过设置在鞋体前端的超声波发生装置产生的超声波从内向外扩散，对鞋体进行彻底杀菌。实用性主要表现在可自发电、环保节约、使用方便，不受地点限制、杀菌效果彻底。

3.1 能量转换系统设计

图1 机械能转化成电能装置图

能量转换系统由压电元件、电容器装置和控制装置组成，利用每次脚跟落地时的机械能转换成电能，如图1 所示。为使它们承受相同的机械应力，由压电材料组成的压电元件和所述电容器板片基本平行。能量转换装置利用压电材料在外力撞击条件下的变形使材料中产生电荷。当压电元件变形时，由压电元件产生的电荷通过控制装置传送到电容器，电容器通过电容的变化会放大由压电元件产生的电能。在压电元件和电容器之间设置电荷传送的控制装置。电荷传送的控制装置由一个二极管和一个具有控制电路的开关形成。可变电容器由固定板片和移动板片组成，移动板片在外部振动效果下移动并且改变两个板片之间的间隙，电容器电容改变。人在走动的时候会利用频繁的自身体重来冲击鞋跟，而安装在该位置的能量装换装置会将该机械能转化成电能并以电能的形式储存在储能装置，为超声波发生装置杀菌提供必要的能量来源。该方案发电简单方便，节能环保，特别适用野外环境。

3.2 杀菌系统设计

图2 超声波发生装置示意图

自动杀菌系统包括鞋体和安装在所述鞋体内部的电子控制装置。电子控制装置包括将机械能转换成电能的能量转换装置，储存电能的储能装置，检测所述的鞋体是否需要杀菌的温度检测器件和具有杀菌作用的超声波发生装置。储能装置，由整流电路和充电电池组成，起到储存作用。在储能装置与超声波发生装置之间设置开关S，由温度检测器件通过感应器控制。超声波发生装置，设置在鞋体前端，杀菌从内向外进行，可对整个鞋体进行彻底杀菌，且功率适中，不会对人体造成伤害。温度检测器件放置在鞋体的鞋跟位置，能随时检测双脚温度改变，判断是否启用杀菌功能。当温度检测器件感应到鞋体内部温度升高到特定温度时，感应器导通开关S，触发所述的杀菌发生器工作。超声波发生装置发出的超声波，能穿透细菌核使其爆裂致死的原理起到保护双脚的作用，如图2 所示。本设计通过鞋子的使用过程产生电能，使用方便，节能环保。[2]

3.3 透气鞋面、鞋体设计

在全部或者部分鞋面面料层间衬贴一层防水透气膜，保证足部良好的透气性。[3]鞋子面料选择性较广，织物、皮革、合成材料均可使用，面料与防水透气膜粘贴以后，能提高鞋面的曲挠性，延长鞋子的使用寿命。

4 创新点及应用

（1）本自动杀菌鞋子的应用技术均已十分成熟，先进性在于其较好的整好了预防和杀菌的双重技术，从根本上解决了“香港脚”一直危害生活健康的难题。

（2）本自动杀菌鞋子虽然应用较为先进的技术，但是其制造成本并不高，结合现在鞋子行业的销售，其价格不会超过现有价值的1.5倍，普通大众人口皆有能力购买。

（3）随着健康意识的增强，对健康生活的追求不仅停留在衣食住行等基本的生活需求。此种自动杀菌的鞋子与普通日常使用的鞋子具有相同的应用环境但需求量会很大，应用领域和范围会很广。

［1］沈其动.超声及其它方法联合灭菌实验性研究[D].陕西师范大学，2008.

［2］潘亚君.一种可自动杀菌的鞋子：中国，200920306270[P].2010.05.19.

［3］张文华.防水透气膜及其在建筑外墙工程中的应用[C]//新防水堵漏工程标准宣贯与技术研讨会论文集.2011.