浅析静脉瓣仿生设计在垃圾管道中的应用＊

马宝峰，郜路明，梁 晋

（太原学院，山西 太原 030000）

静脉瓣是存在于人体静脉血管中的一种结构，瓣膜形状大多以半月形双叶瓣为主。其作用是使静脉血单向向心脏方向回流，即起到单向阀门的作用。当血液向心脏方向流动时，瓣膜贴附在静脉壁上，静脉通畅无阻，当站立或其他原因引起静脉压力增高时，引起静脉血逆向流动。在逆向血流的冲击下，静脉的2个瓣叶张开靠拢，来阻止静脉逆流。

静脉瓣在人体的分布很不平衡，分布的一般规律：受地心引力较大、血液回流比较困难部位的静脉瓣特别发达，反之则完全无瓣或数目较少。例如，四肢的静脉瓣最多，下肢多于上肢；中等口径的静脉瓣一般都比较丰富，而小静脉和大静脉干内很少有瓣。静脉瓣的平面示意图如图1 所示。

图1 静脉瓣平面示意图

在生活中，静脉曲张正是因为无静脉瓣或静脉瓣受损。不少医生和学者对此进行了大量的研究，秦月琴等[1]通过研究静脉瓣与力学之间的关系，得出瓣膜具有一定的强度，能承受一定的负载；张永珍等学者通过比较3 种不同方法制备的带瓣静脉脱细胞支架的组织学、生物学特性，得出反复冻融法对脱细胞带瓣静脉支架结构损伤较小、生物相容性好，是一种制备脱细胞带瓣静脉支架材料较好的方法。同时，世界上不少公司已研发出相对成熟的静脉瓣膜，Hancock Jaffe Laboratories 开发了一种生物静脉瓣膜VenoValve®，该瓣膜是不锈钢瓣架和猪主动脉单瓣叶的组合，用于纠正或减少深静脉系统内的静脉反流，治疗下肢慢性深静脉功能不全；德国Fraunhofer 制造工程和自动化研究所的科学家和RWTH Aachen 大学Helmholtz 生物工程研究所合作开发了一款由聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）制成的人工瓣膜；国内杭州启明医疗器械有限公司研发出中国首个经导管人工瓣膜“Venus A-valve”。

目前专家和学者对静脉瓣的研究主要在于人体静脉瓣移植和人工瓣膜的选取与制作，而本文主要研究的是基于静脉瓣的原理进行仿生设计以运用在垃圾管道之中并对类静脉瓣装置的关键参数进行计算。

1 研究背景

1.1 垃圾管道实施现状及问题

1.1.1 垃圾管道的实施现状

随着人们对生活条件和环境要求的日渐提高，垃圾管道由传统的以人力清运方式逐渐转变为运用垃圾气力输运系统。该系统具有高效率、节能和环境友好等突出特点，大大提高了垃圾回收的效率，缩减垃圾回收处理的周期，代表了城市垃圾回收的发展方向。

垃圾收集系统根据垃圾投放口的位置分为室外型和入户型。室外型的垃圾收集系统投放口位于建筑外部，用户需要将垃圾打包后带到建筑外，投入垃圾投放口中；入户型的系统在每一个楼层内都有一个垃圾投放口，用户在楼层之内即可实现垃圾投放[2]。1961 年瑞典CENTRALSUG 公司首次提出并发明了真空垃圾管道收集系统，其最早用于医院垃圾回收，自1967 年起开始在住宅区装配使用[3]。目前在国外应用广泛且技术相对成熟的气力垃圾管道收集流程如图2 所示，它主要应用于密集的商业区和住宅区及一些对环境要求较高的地区。

图2 气力垃圾管道收集流程

目前，国内上海浦东国际机场和广州白云新国际机场采用了瑞典ENVAC 系统（ENVAC 公司前身即上文所提到的CENTRALSUG 公司），该系统的投入使用有效减少了机场庞大的人流量与产生大量垃圾之间的矛盾与冲突。上海泰晤士小镇是国内首个使用垃圾管道输送系统的住宅区，服务范围为500 户，投放口共计93 个，排放阀数共计20 个，管道总长度1 000 m。为彻底解决垃圾收集过程中产生的二次污染问题，广州市市容环卫局在金沙洲引入垃圾管道输送技术，已建成的3 号系统，收集垃圾56 t/d。此外，中国人民解放军总医院、上海世博会、西班牙“巴塞罗那”奥运村、葡萄牙里斯本世博会等项目均采用了垃圾管道输送技术。

1.1.2 垃圾管道目前存在的问题

就目前垃圾管道的研究来看，现代垃圾管道在流程上已经较为完善，从垃圾投放始至垃圾处理终包括了垃圾分离器、抽风机、垃圾压缩机、除尘器、消声器等设施。但对于垃圾管道这样一个复杂的系统，要想做到稳定运行并不容易，目前仍存在一些技术难题，例如弯道磨损、异味上窜、管道堵塞、动力系统保证不足等一系列问题[4]。

弯道磨损。在垃圾管道弯曲的部分，垃圾会与管道侧壁发生碰撞，垃圾高度越高、质量越大、物体越坚固，对管道的破坏力就越大，一般情况下，管道曲率越大，碰撞越激烈，减速也越快，长期以来会使得管道破损引发管道漏气。

异味上窜。在垃圾管道中，垃圾产生的气体由于在封闭空间里一直存在，致使人们在打开垃圾投放口时，总能闻到阵阵恶臭。

管道堵塞。引起垃圾管道堵塞的情况主要有以下2种：①在下落过程及弯道处，垃圾与管壁和弯壁碰撞减速，容易引起垃圾聚集，造成堵塞；②由于人为的因素，将一些非生活垃圾投入垃圾管道，致使物体在下落过程中卡于管壁之间造成堵塞。

1.2 仿生设计

仿生设计是通过模仿自然界中生物的生活习性及特殊本领，并利用工业设计的思维创新方式，将仿生物的形态、结构及功能方面的特性合理运用到产品设计中[5]。

随着仿生学的不断发展，仿生设计在产品设计领域中应用广泛。通过对蚊子上颚表面非光滑状态的研究，设计出注射器针头；通过对鲸、海豚圆润头部以及光滑的身体曲线的研究，设计出轮船外观头部及外观流线；科学家根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；根据空气动力学原理仿照鸭子头形状而设计出了高速列车；通过对萤火虫发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等。

对生物习性和特点的仿生设计是从自然界生物中汲取灵感展开设计的过程，可以对现有的产品进行不断的创新改善，促进人与自然的和谐，打破传统的设计观念，为设计者提供不同的思路，为产品市场不断提供新鲜血液。通过仿生设计，设计者不会局限于产品设计和性能，他们可以在产品设计过程中加入一些自然界的元素，以设计出美观而富有趣味性的产品。自然界的各类生物在不断进化过程中形成了不同的结构和功能，对其研究常常能为设计师带来全新的功能实现方案，开发新的产品功能。

通过对静脉瓣的研究发现其具有以下特点：①单向性。当肌肉收缩时，静脉内的血液被压缩，瓣膜张开；当肌肉扩张时，瓣膜关闭，防止血液发生逆流[6]。②复杂性。静脉瓣的开合受压力梯度、骨骼肌泵、重力和呼吸泵等多种机制共同作用。③受损不可逆性。因长期站立或其他原因导致肌肉收缩静脉瓣长期处于张开状态，使得静脉瓣无法闭合，一旦静脉瓣受损，难以恢复。④多个共同作用。在人体中，静脉瓣一般都是多个共同作用以达到防止血液倒流的效果。

基于这些特点，可将仿生设计应用于垃圾管道之中，对下落的垃圾起到减速和缓冲的作用以及防止垃圾管道内异味上窜给人们的生活带来不便。

2 必要性及可行性分析

2.1 必要性分析

随着中国城市化生活进程的加快，再加上居民生活水平的不断提升，城市生活垃圾产生量保持稳定增长的趋势，近年来中国已成为世界上城市生活垃圾处理压力最大的国家之一。就国内情况而看，目前实施垃圾分类只在一些试点城市，尚未普及到国内每个省份，通过政策的引导和处罚让城市居民自觉进行垃圾分类，垃圾分类的基础设施和流程尚未完善。相比国外，居民住宅楼已经配有垃圾管道系统，通过不同的垃圾管道来对不同类型的垃圾进行分类、集中和处理。从这个角度来看，中国精准地实行垃圾分类还有很长的路要走。

垃圾管道在国内推广受阻的原因之一是建设和维修成本大。日常的垃圾管道清洁和疏通的费用虽然较大，但垃圾管道为人们日常生活也带来较大的便利，这促使垃圾管道的普遍应用成为发展的大趋势，面对目前垃圾管道存在的技术难题和人们对垃圾管道系统的接纳度低等问题，应当及时运用新兴的科学技术、工业化生产、创新营销手段以及仿生设计等方法不断克服垃圾管道在普及路上的困难，以便利日常生活，为人们提供美好的生活环境，从源头上对垃圾分类精准把控，减少垃圾资源的浪费，为社会创造一定的经济效益。所以对垃圾管道的设计进行改造创新，减少建设、维修成本成为了不可忽略的一个问题。

2.2 可行性分析

2.2.1 材料可行性

静脉瓣在选材过程中必须考虑是否透气、是否易损、是否有弹性、是否易恢复等因素，所以静脉瓣在选材过程中不能选择过于柔软也不能选择过于坚硬的材料，所选的材料表面必须是粗糙、不透气、不易损、易于恢复的材质。选择不同的材料对垃圾下落过程的削弱速度大小不尽相同，在实际选取中，需要通过计算不同材料之间的实际应用效果来确定，而在本文第三节中计算了类静脉装置关键参数，可以此为参考来选择合适的材料。

2.2.2 技术可行性

静脉瓣是贴附于管壁的膜瓣装置，瓣膜必须与管壁之间紧密贴合为一个整体。目前，3D 建模、3D 打印、铸造、粘附等工艺流程逐渐完善，通过这些技术可以对含有静脉瓣装置的管道的生产提供技术支持。此外，随着计算机系统的不断发展，在对静脉瓣的原理进行仿生设计之前，可通过计算机系统对静脉瓣的预期效果和潜在问题进行仿真并不断完善仿生设计，以确保在实际应用中能达到预期效果。

2.2.3 经济可行性

类静脉瓣装置与管道连接处易于拆卸，如遇类静脉瓣装置受损、垃圾管道堵塞等问题，可将类静脉瓣装置卸下，更换类静脉瓣装置和清理管理，在很大程度上减少了维修和维护成本。

3 类静脉瓣装置的设计与应用

3.1 类静脉瓣装置的设计

通过对静脉瓣的研究可知，静脉瓣具有单向流通性和缓冲作用。可在垂直管道中增加类静脉瓣装置对垃圾下落的过程起一个缓冲作用，使得垃圾在下落过程中通过降低速度、减少冲击力来保护管道。安装了类静脉瓣装置后，类静脉瓣装置张开让垃圾下落后闭合，防止异味上窜，而使异味通过抽气机净化达到环境友好的效果。

通过物理方面相关研究，可以将类静脉瓣装置视为一个减速装置，垃圾在通过类静脉瓣装置的过程中，由于类静脉瓣装置的阻挡和摩擦使得下落速度减慢，随后在重力的作用下继续加速，再次通过类静脉瓣装置时，将由于重力产生的速度继续抵消，如此循环，可以视垃圾在整个下落过程中为一个近乎恒定的速度来减少巨大冲击力对底部垃圾管道的损坏。

考虑到实际生活中，可能存在空气阻力以及管壁碰撞等因素致使垃圾减速，故在设计垃圾投放口时，可提升垃圾投放口的高度，增加垃圾在进入第一个静脉瓣的速度以减少因速度过慢而造成管道堵塞的可能。

3.2 类静脉瓣装置关键参数计算

垃圾管道类静脉瓣装置设计的关键是能够对下落的物体起到削弱速度的作用，因此在设计类静脉瓣的过程中不能忽略类静脉瓣装置对其削弱速度的大小以及需设计几个类静脉瓣装置共同作用，一方面要保证垃圾能够正常降落至垃圾管道的底部，另一方面要保证防止异味上窜的作用。对此，通过计算模拟了类静脉瓣装置的数量和类静脉瓣装置削弱速度大小的关系以及垃圾在下落过程中所受的支持力大小。

假设垃圾在刚下落时初速度为0，为避免垃圾下降速度过慢所导致的堵塞，每层垃圾投放口需提升投放高度h1=3 m（提升高度可通过管道工艺设计达到），在通过类静脉瓣装置后削弱速度V2，随后重力导致加速，在通过下一类静脉瓣装置时将其削弱，如此反复，使得垃圾在管道里以近似V3的速度一直下落，假设每层楼之间的高度h1=3 m，每层楼之间安装2个类静脉瓣装置（0 m 处和1.5 m 处各一个），重力加速度g=9.8 m/s2，便得出以下公式：

式（1）—（5）中：V1为垃圾在进入第一个类静脉瓣装置前时刻的速度；h1为一层楼的高度；V2为垃圾被类静脉瓣装置削弱后的速度；V3为垃圾在通过第一个类静脉瓣装置后和第二个类静脉瓣装置后时刻的速度；V4为垃圾在进入第二个类静脉瓣装置前时刻的速度；h2为第一个类静脉瓣装置和第二个类静脉瓣装置间的高度。

通过计算，得出：V2=2.25 m/s。

若扩展至每层楼之间安装2～4 个类静脉瓣装置，其每个类静脉瓣装置之间的间隔距离和需要削弱的速度大小，如表1 所示。

表1 类静脉瓣装置间间隔距离和削弱速度大小参数

假设垃圾在下落过程中所受到的支持力F是与重力方向相反，可得出以下公式：

式（6）（7）中：Δt为垃圾与类静脉瓣装置的接触时间；m为垃圾的质量；Δv为是垃圾速度的变化量。

联立式（6）（7）可得：

垃圾在通过类静脉瓣装置时会与类静脉瓣装置产生接触时间Δt，在接触时间Δt后会使得垃圾的速度变慢，其速度的变化量Δv即为表1 中需要削弱的速度大小。在日常生活中，生活垃圾质量通常在2～4 kg，取最大值m=4 kg 进行计算，由式（8）计算，可以得出物体在下落过程中所受到的支持力F与垃圾和类静脉瓣装置接触时间Δt的关系（以每层楼间安装3个类静脉瓣装置为例），如表2 所示。

由表2数据看出，类静脉瓣装置的数量越多，每个类静脉瓣装置之间间隔的距离越短，其每个类静脉瓣装置削弱的速度也逐渐减少，由式（8）可得出类静脉瓣装置的支持力F和垃圾速度的变化量、垃圾与类静脉瓣装置的接触时间相关，可通过计算，为后续类静脉瓣装置的选材、设计所具备的特性提供了理论数据。

表2 支持力F 与垃圾和类静脉瓣装置接触时间Δt 的关系

4 结束语

静脉瓣作为人体静脉中的一个膜瓣结构对人体的血液流向起着至关重要的作用，将其原理应用到产品设计上同样可以起到防倒流的作用。将其应用到垃圾管道中，可以降低垃圾对管道的破坏，降低维修成本；控制管道内气体单向流通，有效解决垃圾产生的刺鼻气味和招引苍蝇的问题，给居民们创造一个干净卫生的生活环境。与此同时，随着垃圾管道的普遍应用，能够对垃圾从源头进行分类，解决垃圾资源严重浪费问题，减轻垃圾处理的负担，大力发掘垃圾的价值，为社会和国家创造一定的经济效益。

如何从源头将垃圾分类一直是一个重要的问题。随着社会进步和科技的发展，传统垃圾管道不断发展至环保清洁的垃圾管道，通过垃圾管道来引导人们将垃圾进行分类可能是该问题的答案。但是鉴于垃圾管道建设成本较高，技术不够成熟等多方面原因，垃圾管道未能普遍应用于人们的日常生活中，所以对垃圾管道的研究探索不能止步于此。

本文的研究仍存在许多不足之处，在类静脉瓣装置设计参数的计算中只在理想状态下计算了关键参数，而不同材质的阻隔效果可能导致不同情况，垃圾在下落过程中受到管壁的摩擦以及空气阻力的作用对垃圾下落的速度也存在一定的影响等等，所以材质的应用研究、实验模拟等也应该是类静脉瓣装置设计的研究方向。