◎長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡芙蓉中學(xué) 喻梓宸 龍奕丞 蔡宗林

一、課題背景

汽車(chē)落水后，很多人會(huì)驚慌失措，一時(shí)無(wú)法進(jìn)行理性判斷，導(dǎo)致大多數(shù)情況下逃生失敗。

我們想設(shè)計(jì)一種裝置，實(shí)現(xiàn)在汽車(chē)落水后，車(chē)內(nèi)人員在破窗逃生前能正常呼吸，從而提高車(chē)內(nèi)人員的逃生成功率。

二、調(diào)查與實(shí)驗(yàn)

1.查閱資料

人教版初中生物七年級(jí)下冊(cè)教材中列出了人體吸入與呼出的氣體成分對(duì)照表，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)人們呼吸時(shí)，吸入的新鮮空氣與呼出的氣體成分中，氧氣的含量由21%下降為16%，而二氧化碳的含量則由0.03%增加到4%。數(shù)據(jù)表明，人們的生命活動(dòng)需要不斷地消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳。

要保證人在水中也能正常呼吸，則需要為人體提供一個(gè)小型的呼吸環(huán)境，這個(gè)呼吸環(huán)境中需要有一定的氣體量。而要保證小環(huán)境中的氣體與大氣中的氣體成分基本相同，則需要不斷地向小環(huán)境氣體中補(bǔ)充氧氣，并消耗掉人體排出來(lái)的二氧化碳?xì)怏w。

2.測(cè)量與分析

在老師的指導(dǎo)下，我們利用肺活量計(jì)按年齡、性別等隨機(jī)選擇一些人進(jìn)行測(cè)試，多次測(cè)量他們30 s內(nèi)呼出的氣體量，以此作為正常人正常情況下每分鐘呼吸的氣體量。

從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，人在正常情況下，每分鐘呼吸的氣體量大約為7500 mL。由此可推算出，人體平均每分鐘需要消耗的氧氣約有375 mL（0.54 g/min），排出的二氧化碳約有300 mL（0.591 g/min）。這就說(shuō)明我們?cè)O(shè)計(jì)的裝置要滿足個(gè)人小環(huán)境呼吸的需求，制造氧氣與處理二氧化碳的速率需達(dá)到這個(gè)要求。

3.實(shí)驗(yàn)與分析

我們通過(guò)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中利用氯酸鉀、高錳酸鉀加熱制取氧氣，利用過(guò)氧化氫（雙氧水）制取氧氣，利用電解水制取氧氣，利用過(guò)氧化鈉固體與二氧化碳制取氧氣等方法，對(duì)幾種制取氧氣方法的條件、速率、安全性等方面進(jìn)行了對(duì)比研究與分析。

表1 幾種制取氧氣的方法及制氧速率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)比分析

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件下，幾種方法制取氧氣的速率均低于人體正常呼吸對(duì)氧氣消耗的速率（0.008 9 g/s）。

當(dāng)然，從理論上分析，若改變實(shí)驗(yàn)的條件，如提高反應(yīng)溫度，增大電壓、電流等，能在一定程度上提高制取氧氣的速率，從而達(dá)到人體對(duì)氧氣消耗的速率，但這樣需增大裝置的體積、增加耗能等。

從過(guò)氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)制取氧氣速率的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中可看出，增大過(guò)氧化鈉與空氣的接觸面積，可提高制取氧氣的速率，同時(shí)提高消耗二氧化碳的速率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析發(fā)現(xiàn)，采用過(guò)氧化鈉與空氣中的二氧化碳反應(yīng)制氧的方法，不需要其他條件，還很安全，同時(shí)能消耗掉人體呼出的二氧化碳，正好滿足本項(xiàng)目的需求。因此，本項(xiàng)目?jī)?yōu)選過(guò)氧化鈉與空氣中二氧化碳反應(yīng)制取氧氣的方法。

三、方案設(shè)計(jì)與分析

鳥(niǎo)類(lèi)的呼吸系統(tǒng)（如圖1）采用氣管—肺—?dú)饽业倪B接方式。由于有氣囊的輔助作用，吸氣時(shí)大量的新鮮空氣由氣管經(jīng)過(guò)肺進(jìn)入氣囊，并暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，部分新鮮空氣在肺內(nèi)進(jìn)行氣體交換。呼氣時(shí)，肺內(nèi)己經(jīng)進(jìn)行了交換的空氣先經(jīng)過(guò)氣管排出肺，同時(shí)儲(chǔ)存在氣囊內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)入肺，繼續(xù)進(jìn)行氣體交換。

圖1 鳥(niǎo)類(lèi)呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這種方式能讓鳥(niǎo)類(lèi)在吸氣與呼氣的過(guò)程中都有大量的新鮮空氣在肺內(nèi)進(jìn)行氣體交換，從而形成了它們?yōu)檫m應(yīng)飛行生活特有的雙重呼吸方式。

受此啟發(fā)，我們的裝置也效仿鳥(niǎo)類(lèi)呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。裝置結(jié)構(gòu)如圖2，包括面罩、顯示器、導(dǎo)氣管、空氣監(jiān)測(cè)艙、呼吸艙、控制盒、儲(chǔ)氣室、彈性緩沖囊等。

圖2 仿鳥(niǎo)呼吸式汽車(chē)落水再生制氧生命保障裝置結(jié)構(gòu)圖

面罩的呼吸腔通過(guò)導(dǎo)氣管與空氣監(jiān)測(cè)艙相連，空氣監(jiān)測(cè)艙內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器，空氣監(jiān)測(cè)艙的一側(cè)與呼吸艙相連，呼吸艙內(nèi)放置過(guò)氧化鈉。為了增大過(guò)氧化鈉與空氣的接觸面積，將過(guò)氧化鈉的反應(yīng)芯設(shè)計(jì)成仿蜂窩煤球結(jié)構(gòu)式（如圖3），在呼吸艙外側(cè)設(shè)有風(fēng)扇，能加速空氣流動(dòng)，提高空氣與過(guò)氧化鈉反應(yīng)的速率。

圖3 仿蜂窩煤球反應(yīng)芯結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖

在控制盒內(nèi)設(shè)有Arduino uno控制板、sim800A通 信 模 塊、UNV-UBLOX-GPS全球衛(wèi)星定位模塊、電源等控制電子器件，用來(lái)監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)空氣監(jiān)測(cè)艙的氧氣與二氧化碳的含量，并實(shí)時(shí)顯示在顯示器上。

當(dāng)氧氣含量低于設(shè)定的19.5%或二氧化碳含量高于設(shè)定的0.1%時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇，加速呼吸艙內(nèi)空氣與過(guò)氧化鈉反應(yīng)的速率。同時(shí)當(dāng)裝置內(nèi)的氧氣含量低于19.5%或二氧化碳含量高于0.5%時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲，提醒車(chē)內(nèi)人員需盡快游出水面。

通過(guò)程序控制，只要當(dāng)裝置的電源開(kāi)關(guān)閉合，裝置通電后，Arduino控制板便能從GPS全球衛(wèi)星定位模塊獲取經(jīng)緯度地址數(shù)據(jù)，然后通過(guò)sim800A通信模塊向指定的手機(jī)發(fā)送中文短信“我的汽車(chē)意外落水，目前有生命危險(xiǎn)，請(qǐng)速來(lái)救援！”以及汽車(chē)落水的時(shí)間、地點(diǎn)的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)（如圖4），以便救援人員在經(jīng)緯度定位器上進(jìn)行定位查詢與導(dǎo)航，以最快的速度來(lái)到事故地點(diǎn)進(jìn)行救援。

圖4 裝置向手機(jī)發(fā)送的求救信息

四、裝置制作

我們按設(shè)計(jì)的方案，從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)了Arduino uno控制板與拓展板、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、LCD1602顯示屏、sim800A通 信 模 塊、UNV-UBLOX-GPS全球衛(wèi)星定位模塊、電源、潛水呼吸面罩、伸縮折疊塑料盆等材料，利用科技室的材料與設(shè)備，完成裝置的加工與制作。裝置實(shí)物如圖5。

圖5 仿鳥(niǎo)呼吸式汽車(chē)落水再生制氧生命保障裝置實(shí)物圖

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.本項(xiàng)目針對(duì)汽車(chē)落水后車(chē)內(nèi)人員逃生時(shí)遇到的問(wèn)題，提出車(chē)內(nèi)人員自主再生制氧逃生理念，為提高汽車(chē)落水后車(chē)內(nèi)人員的生存率提供了一種新思路。

2. 本項(xiàng)目模仿鳥(niǎo)類(lèi)雙重呼吸方式以及蜂窩煤球反應(yīng)芯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了能自主利用呼出的二氧化碳再生制氧，維持車(chē)內(nèi)人員生命的功能。

3. 測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室條件下多種方法制取氧氣的速率，為本項(xiàng)目?jī)?yōu)選制氧方式提供了保障，同時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲得的數(shù)據(jù)，確定了裝置的基本參數(shù)，保證了裝置的靈敏性與可靠性。

綜上所述，本項(xiàng)目具有重要的實(shí)用價(jià)值和推廣使用價(jià)值。

專家點(diǎn)評(píng)

該項(xiàng)目是一項(xiàng)獨(dú)辟蹊徑的發(fā)明作品。在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，幾位同學(xué)采用了資料分析法、對(duì)比實(shí)驗(yàn)法、仿生法、建模法等科學(xué)方法，穩(wěn)步實(shí)踐，從知識(shí)與能力上不斷突破，使最初的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。

值得思考的是：一，怎樣做到在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并產(chǎn)生出人意料的獨(dú)特創(chuàng)意；二，怎樣運(yùn)用STEAM教育理念和方法，將所學(xué)的生物學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用，在著重提升自己跨學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用能力的同時(shí)，解決好實(shí)際問(wèn)題；三，怎樣通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)踐，學(xué)會(huì)與人合作，提升自己在科技創(chuàng)新實(shí)踐中的合作能力。