基于安全气囊气体发生器的溺水自救手环的研究

张继超，赵 野，陈雁多，曹芮菡，向丽蓉

（北华大学，吉林吉林 132000）

根据世界卫生组织统计，每年死于溺水的人高达40万。一般来说，溺水2min便会失去意识，4～6min后神经系统会遭受不可逆损伤，溺水者在彻底沉没前只有20～60s的时间挣扎。市面上现有救生手环利用二氧化碳高压气罐为气囊充气提供浮力，在事故发生时需拉动手柄使气体充入才能使溺水者上浮，但人在溺水时往往惊慌失措难以主动操作使气囊弹出，且球形气囊难以抱住，浮力不足易漏气，也不便于溺水者长时间稳定漂浮，因此难以达到救生目的[1]。

针对现有救生手环充气方式存在易爆炸、弹出速度不够快等问题，参考汽车安全气囊的反应原理设计了新的气体发生装置，提高了气囊弹出的速度和安全性；针对气囊弹出方式上需手动触发的缺陷，增加了自动报警装置，可通过实时监测多项生命体征指标自动触发；针对气囊为球形不便于溺水者抱住的问题，设计拐杖形气囊便于溺水者手臂搭扶，同时为了避免气囊漏气和湿滑难以抱住，气囊材料选择了混合型织物，并设计条纹突起表面防滑。

1 手环原理概述

该手环主要由电控单元（ECU）、传感器、报警器、点火装置、气体发生器、气体发生剂，电源及备用电源七个单元构成（图1）。

图1 气囊工作原理图

当使用者启动手环时，手环开始实时监测使用者的血压、心率数值，当进入水下时，水位传感器启动，监测水位变化。当监测数据超过提前设定的参数阈值时，将异常信号传至电控单元，电控单元传输充气指令到气体发生器点火装置，加热气体发生剂，发生化学反应产生大量气体，气囊在极短时间内充气弹出，溺水者可在瞬间抓住气囊，足够的浮力可使溺水者头部浮出水面自救，最大限度减少溺水所带来的伤害，降低后续营救难度。在非室内水域可选择带自动定位的手环，以便于溺水者快速得到救援。

2 气囊系统组成结构

2.1 气体发生装置

手环的气体发生装置模拟汽车安全气囊的气体发生装置弹出气囊，气体发生装置主要由烟火式气体发生器、硝酸胍和碱式硝酸铜混合成的可燃剂、刚性电发火头结构的点火装置构成。

2.1.1 气体发生器

常见的气体发生器[2]可以分为贮气瓶式、烟火式和混合式三类。综合对比来看，混合式气体发生器具有性能较高，但成本高昂并不适用。而烟火式气体发生器，不仅产气速度快，成本低廉，且便于长时间储存，虽然排气温度较高，但随着科技发展，涂层技术可以解决此类缺陷，故选择烟火式气体发生器对气囊充气。

2.1.2 气体发生剂

气体发生剂的成分应选取安全无毒或毒性较低，成本低的物质。叠氮类发生剂虽燃温低，燃速快，燃气较为安全，工艺简单成本较低，但其原料叠氮化钠有剧毒，稳定性较差易分解爆炸，产气率低下，燃烧后会产生不易过滤的钠单质和对人体有刺激性的氢氧化钠。基于上述缺陷，非叠氮类更为安全、稳定。

可燃剂应选取产气率高且物化性质相对稳定的物质，物质的氮含量高，需氧量少，可使产气量增加。氧化剂为可燃剂提供燃烧过程中所需的氧，应选取较高含氧量、高安全性能，且燃烧时氧易于释放，生产物残渣较少的物质，通常选择两种以上的氧化剂。

虽然气囊的材料具有一定耐热性，但仍需降温剂和燃素调节剂，降温并加速反应，使产气耗时更短。非叠氮类发生剂燃烧后，会生成部分有毒气体，需适当的催化剂中和，或改变燃烧机理，即可解决这个缺陷。

基于上述需求，选择燃温低产气量较大的硝酸胍（GN）和碱式硝酸铜（BCN）作为反应的可燃剂，选取高氯酸铵（AP）作为燃素调节剂，提高可燃剂的着火性，加快燃速并增加产气量，且其具有的吸湿性可减少生成气体中有毒气体的含量，同时需要适量的硝酸钾（KNO3）作为除氯剂和主要氧化剂。反应方程式[3]如下。

要求9a+5b=2。

混合物燃烧时的温度为1 901K，产气量为3.01mol·（100g）-1，且与添加剂含量无关，当GN/BCN=33.57/64.43时，燃速达到最快。

2.1.3 点火装置

刚性电发火头结构电阻一致性较好，且成本较低，并利用激光焊接提高密封性，利于长期贮存，而点火装置用药剂选用了点火能力强，传火速度快，性能稳定且便于储运硝基苯酚火药[4]。点火装置接受异常信号过程如图2所示：

图2 信号传播过程图

异常值信号传递给ECU，ECU传递电信号给点火线圈的电流，传播过程形成点火延迟时间，此后点火线圈发热，加热硝酸胍（GN）和碱式硝酸铜（BCN）发生化学反应，产生二氧化碳和氮气的混合气体为气囊充气。点火线圈持续发热时间就是点火持续时间，截止化学反应产气结束，充气完成。

2.2 传感器及参数设定

使用者在使用过程中实时测定其体温、血压、心率，设定参数正常值，当手环各数值发生异常，传递异常信号。

由于心跳与脉搏近似同步，手环通过光电传感器对脉搏信号进行检测，从而检测心率，并利用气体压力传感器识别血压。而人在水中的压力会随水深而变化，通过压力变化衡量水位变化，水压传感器根据水压变化引起内部内膜片产生形变压力，使敏感电气元件产生低电平信号，由水压数据得到佩戴者所处水深。

根据表1数据我们设定心率正常值为55-80bpm。而人体正常的收缩压为98至105mmhg，舒张压为73至79mmhg，设置收缩压为95mmhg（约为正常收缩压最低值的97%），舒张压为70mmhg（约为正常收缩压最低值的96%）[5]。

表1 各状态心率正常值范围

由于年龄，性别，以及各类别人群对血压都有一定的影响，设定具体值并不可靠，所以应当根据心率、血压和水位综合判断人是否处于溺水状态。

2.3 定位设置

由于在室外水域，溺水者不易被救援人员及时发现，故手环增加了定位功能，方便溺水者更快得到救援。AGPS[6]有一个附加的定位器，这是其相较于传统系统的优势，它的基本原理是通过基站发送有关辅助卫星的信息，从而可将接收机和辅助设备拆分为两个可操作设备，减少GPS芯片接收信号所需的时间，并使用基站信号来减少对卫星的依赖性，与实际定位相比，误差较小。

3 气囊形状

原球形气囊需溺水者主动抱住漂浮气囊，但溺水时即使气囊弹出，溺水者也很可能由于紧张慌乱，无法抱住气囊自救。为了便于溺水者稳定漂浮，将气囊形状设计为拐杖形，安装时利用卡槽固定住拐杖弹出方向，弹出后气囊圆弧部分绕过佩戴手手腕至手腕下方，足长的圆柱体部分朝另一只手的方向弹出。基于溺水者可能产生双臂上举的扑水动作，拐杖形气囊更便于溺水者双臂搭在气囊上，以保持头部超过水面，进而自救。另外，为保证气囊的安全性，需设置排气孔以减缓冲击力。 相关设计如图3所示

图3 手环部分简略图

4 手环材料

气囊织物原料采用聚酯和聚酰胺复合纤维，聚酯作芯，聚酰胺作皮层，在提升了织物的尺寸稳定性的同时还保证了耐热性，外层采用条纹凸起的涂层织物液体硅橡胶，便于人在溺水之后双手搭在气囊上而不会打滑，里面采用非涂层织物，这样既满足了气囊的气密性、耐磨性，又可以使灼热气体排出，在安全性上也得到了保证[7]。TPE材质的腕带材料环保无毒，具有皮肤般柔软舒适的触感，弹性优良，抗静电，不易黏灰尘，耐污性能好，与硅胶相比具有较高的生产效率，且边角余料可反复回收利用，降低成本。碳纤维复合材料作为手环的外壳材料，碳纤维相对合金等金属材料极大减轻了手环的重量，比重仅占钢的1/5，与树脂等材料复合后，抗拉强度是钢铁的5倍以上，故具有超高的比强度，非常适合作为手环的外壳材料[8]。

5 结束语

基于安全气囊气体发生器的溺水自救手环具有以下优势：在安全性方面，改良的弹出方式和手环材料上的严格选取，使之不会出现关键时刻手环无法使用的现象。相较于游泳圈和救生衣，手环更为便携安全。增加的AGPS定位系统，可使溺水者更快得到救援。手环上的点火开关按钮可以实现一键式引起气体发生反应，为溺水者的自救提供了保障。