湖北省襄陽(yáng)市諸葛亮中學(xué)教育集團(tuán) 汪嘉瑞

（指導(dǎo)老師：曾 萍）

隨著年齡的增長(zhǎng)，老人們的記憶力逐漸下降，尤其是阿爾茨海默病患者，出了家門就很難順利找到回家的路，而且長(zhǎng)時(shí)間行走會(huì)對(duì)老人的膝蓋造成傷害。有些小孩趁大人不備偷偷溜出去玩，想回家時(shí)又記不準(zhǔn)回家的路。為了保證老人、小孩們能安全回家，家人會(huì)為其佩戴定位手表或電話手表。

通過(guò)試用，我發(fā)現(xiàn)目前市面上的這些設(shè)備還存在一定的缺陷，比如定位不準(zhǔn)，未及時(shí)充電導(dǎo)致突然斷電等。針對(duì)上述問(wèn)題，我開展了研究。

一、設(shè)計(jì)目的

制作一款能持續(xù)充電、具有GPS定位功能且能減振的鞋子。

二、設(shè)計(jì)思路

1.在鞋底安裝GPS模塊，定位準(zhǔn)確，能及時(shí)、有效地引導(dǎo)穿戴者順利回家。

2.人體膝蓋內(nèi)的半月板一旦受傷后難以恢復(fù)，我想在鞋子內(nèi)部安裝弧形金屬以保護(hù)半月板。

3.人在運(yùn)動(dòng)時(shí)有振動(dòng)產(chǎn)生，我想在鞋子內(nèi)的弧形金屬上加裝壓電陶瓷片，通過(guò)壓電陶瓷原理，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為GPS模塊充電。

三、設(shè)計(jì)原理

1.壓電陶瓷的電效應(yīng)原理

具有壓電效應(yīng)的晶體被稱為壓電晶體，當(dāng)沿著晶片的某些方向施加作用力使晶片發(fā)生形變后，晶片上相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷。

壓電陶瓷發(fā)電裝置的核心是壓電振子。陶瓷材料很脆，一般將其與某種金屬?gòu)椥圆牧险澈?，共同?gòu)成壓電振子。

2.壓電陶瓷發(fā)電裝置的電學(xué)等效模型

壓電振子的上、下表面在壓力作用下產(chǎn)生電荷，相當(dāng)于一個(gè)電容，在其兩極產(chǎn)生電荷后儲(chǔ)存一定的能量。壓電振子可簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源，與內(nèi)在的電極電容并聯(lián)。

壓電振子在交變的外力或有規(guī)則的沖擊作用下，其電壓和電流都呈現(xiàn)交變特性，而給微型電池充電需要穩(wěn)壓直流，故需對(duì)其進(jìn)行整流。為了盡可能提高輸出電壓，我設(shè)計(jì)了三倍壓整流電路。

由于壓電陶瓷發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓、電流不穩(wěn)定，瞬時(shí)電壓存在突變，而微型電池充電時(shí)需要恒壓、恒流的電源，所以要將突變的電流和電壓轉(zhuǎn)化為恒定的。

四、制作過(guò)程

基于壓電效應(yīng)提供電能的GPS定位緩沖減振鞋由壓桿發(fā)電模塊、升壓模塊、鋰電池、GPS定位模塊等組成。

首先，我要找到將腳掌與地面接觸時(shí)的擠壓力轉(zhuǎn)化為電能的方法。我想到了兩種方法，一種是用磁力圈運(yùn)動(dòng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并用鋰離子電池存儲(chǔ)電能。經(jīng)過(guò)幾次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁力圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，不適合將其裝在鞋子內(nèi)。第二種方法是，用壓電陶瓷片把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，壓電陶瓷片體積小，外形可塑，再將電能儲(chǔ)存在微型電池中，即可解決供電問(wèn)題。

圖1 制作過(guò)程

接著是組裝鞋子的底部結(jié)構(gòu)。首先確定壓電陶瓷的位置，因?yàn)槠溆袦p振功能，將其置于腳掌前端最有效。我將所有元器件組裝后試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)法給GPS模塊電池充電，原來(lái)是電壓不夠大，于是，我用升壓模塊將電壓升高后，此問(wèn)題得以解決。

最后，在手機(jī)上下載云參謀定位App，與鞋子的GPS模塊連接，再運(yùn)行參謀定位App軟件，檢驗(yàn)?zāi)芊癫榭慈说倪\(yùn)動(dòng)歷史軌跡，可選擇智能模式和定時(shí)定位模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤。

圖2 GPS定位緩沖減振鞋實(shí)物圖

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.GPS定位緩沖減振鞋的壓電陶瓷片為金屬材質(zhì)，將其安裝在腳與鞋子的接觸面，能起到緩沖、減振的作用。

2.選用超級(jí)電容作為充電電容，容量大、壽命長(zhǎng)，不易被損壞。

3.連接GPS定位模塊，老人或小孩若不慎走丟，家人及時(shí)登錄定位App，便可快速將他們找回。

專家點(diǎn)評(píng)

汪嘉瑞同學(xué)的“GPS定位緩沖減振鞋”項(xiàng)目從關(guān)愛特殊老年人和幼兒出發(fā)，體現(xiàn)了發(fā)明人的愛心與創(chuàng)新意識(shí)。

其一是在鞋子中增加GPS定位功能，便于家人尋找走失者；其二是項(xiàng)目運(yùn)用的原理較獨(dú)特。現(xiàn)在的減振鞋主要有氣墊減振型：鞋跟處敷有氣墊，作為吸收沖擊力的一種方式。油包減振型：利用油包吸收緩沖力。材料減振型：應(yīng)用吸振聚氨酯材料來(lái)達(dá)到減振的效果。減振鞋墊型：通過(guò)減振鞋墊來(lái)達(dá)到減振的效果。而本項(xiàng)目則采用金屬雙面拱形結(jié)構(gòu)彈性緩沖減振方式，別具一格。

不過(guò)，這個(gè)項(xiàng)目值得商榷的方面有以下兩點(diǎn)：第一，老人、幼兒群體真的都適合穿這款鞋子嗎？第二，在“鞋子內(nèi)部安裝弧形金屬”就一定會(huì)“有助于保護(hù)半月板，減少運(yùn)動(dòng)對(duì)半月板的傷害”嗎？