許倩倩,鄭兵,張志峰,,泮佩言,,陸曉芬
基于PUGH矩陣的自動扶梯消毒產(chǎn)品創(chuàng)新設計
許倩倩1,鄭兵2,張志峰2,3,泮佩言1,3,陸曉芬3
(1. 浙江大學,杭州 310027;2. 浙江工商大學,杭州 310018;3. 湖州綠產(chǎn)智能制造有限公司,浙江 湖州,313000)
為解決目前自動扶梯存在傳統(tǒng)人工消毒耗時耗力、每時每刻殺菌消毒難以及消毒不全面等問題,進行自動扶梯消毒產(chǎn)品創(chuàng)新設計。首先,通過用戶評價法,得出可靠性、功能性、可操作性、高效性、布局合理性、友好度、信任度、環(huán)保性及美觀性是自動扶梯消毒產(chǎn)品的主要需求要素。其次,提出PUGH矩陣選擇法, 為產(chǎn)品設計方案的選擇提供有效的評判工具,通過選擇與權衡,從3種設計方案中得到最優(yōu)設計方案。最后,所設計和完善產(chǎn)品方案的核心模塊,并將產(chǎn)品創(chuàng)意進行三維可視化,利用光固化3D打印技術打樣產(chǎn)品原型。采用ATP熒光檢測儀對該產(chǎn)品的消毒效果進行充分的實驗及研究,通過用戶評價法驗證該研究的實用性和可行性。運用該產(chǎn)品為自動扶梯消毒效果的改進提供了合理的裝置,可以更加準確地滿足自動扶梯的消毒需求。
PUGH矩陣;自動扶梯;消毒產(chǎn)品;用戶評價法
2019—2025年全球自動扶梯的市場規(guī)模預計年增長3%。自動扶梯經(jīng)常應用于地鐵、商場等人流量大、人員密集的地方。扶梯扶手表面被頻繁接觸,這大大提高了人們傳染病的患病概率,也是病毒交叉感染的高危區(qū)域。新型冠狀病毒發(fā)生以來,為應對疫情,消毒是切斷傳染傳播途徑重要措施之一。
研究團隊對72臺自動扶梯消毒情況進行了調(diào)查研究,根據(jù)蹲點記錄顯示,100%自動扶梯都只采用傳統(tǒng)的人工消毒方式,商城50%的自動扶梯會定期間隔2~3 h消毒一次,地鐵站的扶梯則是每天首尾進行消毒工作。通過觀察發(fā)現(xiàn),97%的公共場所在自動扶梯入口處沒有為人們提供消毒洗手液,1/4的孩童會將摸過自動扶梯的手去擦拭眼睛或伸入口舌,這提高了手足口病的感染率。手足口病是兒童中發(fā)病率最高的傳染病,無疑是對孩童的健康埋下了隱患。研究團隊也關注到目前扶梯消毒方式的持續(xù)效果,如自動扶梯上有被消毒水腐蝕的痕跡、消毒劑殘留多、消毒有死角、電子元器件腐蝕、氣味重等問題。
為有效控制疫情的蔓延和擴散,公共場所日常消毒方法有含氯消毒劑溶液擦拭或噴灑、PCR Cleaner溶液、醫(yī)用乙醇清潔消毒、紫外線消毒等方法。
含氯消毒劑主要是產(chǎn)生分子量很小且具有強氧化作用的次氯酸,通過強氧化作用將核酸直接分解,可有效氧化細胞內(nèi)含硫基的酶。含氯消毒溶劑可以對包括病毒、真菌、細菌、結核桿菌、分枝桿菌和阿米巴囊體等在內(nèi)的各種微生物進行殺滅。特點是殺菌譜廣、毒性低、價格低,具有刺激性氣味,有腐蝕性、漂白的作用。由于受有機物的影響很大,所以不穩(wěn)定。
PCR污染清除噴霧劑(PCR Cleaner)是朗司醫(yī)療研發(fā)的一種專門用于清除核酸污染的無腐蝕性溶液,是專門用于去除實驗室操作臺表面DNA的即用型噴霧劑。PCR污染清除噴霧劑可有效降解核酸分子,能快速有效地清除DNA或RNA污染,具有非堿性、無腐蝕性、耐熱性和化學穩(wěn)定性良好等特點。同時,因為該溶液由表面活性劑和非堿性的非致癌物組成,對人體無毒無害。
醫(yī)用乙醇(酒精)可通過物理沉降和非直接破壞作用達到抑制或清除核酸污染的效果[1]。研究發(fā)現(xiàn),乙醇溶液濃度低于60%時不具備殺滅細菌和病毒的功效。當乙醇濃度為75%~80%時,可以在極短時間內(nèi)殺死大多數(shù)細菌和包膜病毒。因為這種濃度的酒精可以使蛋白質(zhì)變性,并溶解其脂質(zhì),從而破壞細菌的細胞壁/膜。酒精消毒劑的主要用途是通過噴霧或擦拭來清潔和消毒物體的表面,例如門把手、桌面、升降機按鈕、移動電話、計算機,以及照顧病人所接觸的物體表面。
紫外線通過誘導微生物核酸中的胞嘧啶和胸腺嘧啶為嘧啶二聚體,直接破壞其核酸結構達到日常消毒和清除核酸污染的效果[2]。1903年,Niels Finsen因發(fā)現(xiàn)紫外線(UV)可以殺死細菌而榮獲諾貝爾獎,此后一個多世紀里,紫外線作為一種消毒方法大受歡迎,并廣泛用于消毒病房和其他公共場所[3]。各類紫外線消毒裝置有不一樣的輻射范圍和強度,所以在消毒過程中要合理放置紫外線消毒裝置的位置,以確定殺毒物品放置在紫外線有效作用范圍內(nèi)[4]。
安超、施嘉楠、何瑞芬等應用不同消毒方法對塑料表面2019–n Co V核酸污染清除進行效果觀察,得其效果的優(yōu)劣順序為2 000 mg/L含氯消毒劑= 5 500 mg/L含氯消毒劑>750 m L/L乙醇>PCR Cleaner。另外,研究團隊還測試了紫外線不同照射時間對2019-n Co V核酸污染的清除效果,得出清除效果的優(yōu)劣順序為紫外線照射3 h=紫外線照射4 h=紫外線照射5 h>紫外線照射1 h>紫外線照射2 h。綜合以上實驗數(shù)據(jù),并考慮使用成本,得出2 000 mg/L含氯消毒劑和紫外線照射3 h清除核酸污染的效果最佳[5]。Stibich說:“我們已經(jīng)將紫外線消毒系統(tǒng)部署在酒店、辦公室和任何有高感染風險的地方或者需要額外確保安全的地方”[2]。
在產(chǎn)品開發(fā)過程中,當團隊面臨多種設計方案的時候,對設計原則的決策能力顯得尤為重要,需要對各設計方案進行對比和權衡,以選中最優(yōu)的設計方案。合理運用設計的權衡分析工具可以給方案的選擇和權衡過程提供正規(guī)、科學的方法,最典型的方法就是PUGH矩陣選擇法[6]。它可以協(xié)助設計人員完成以下工作:對各種可能的概念設計方案進行概念粗篩和概念評分,排序、評選出最優(yōu)方案,以滿足需求指標的要求[7];可以透過整合各種評判標準來強化概念設計。
在產(chǎn)品設計的早期階段,PUGH矩陣分析對項目成功與否關系重大,可以對多種方案快速做出決策。在產(chǎn)品概念設計中,一般由設計團隊根據(jù)項目需要對眾多方案進行內(nèi)部評估,確定3~4個創(chuàng)意方向;再由團隊負責人、結構工程設計師、工業(yè)設計師等組成評估小組,依據(jù)PUGH矩陣評判標準對3~4組可選方案進行評分、排序、選擇和權衡,列出所有方案的可選擇項、基準方案和評判準則;對照評判準則對每個可選方案進行評分,比較各選項之間的得分,最后根據(jù)總分來確定最優(yōu)的設計方案,為產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎。在產(chǎn)品設計過程中,PUGH矩陣通??蓪Χ鄠€可選擇概念進行定性的判斷和權衡,可幫忙團隊快速篩選出比較明顯的優(yōu)勝概念或有希望的概念,以便進一步觀察和對比。
根據(jù)產(chǎn)品設計方法和用戶需求問卷,采用用戶評價法,構建自動扶梯扶手消毒需求層次分析模型,見圖1,確定出PUGH矩陣在自動扶梯消毒產(chǎn)品設計中的評判標準。通過收集專家及用戶的評分,最終計算出各項評判標準的權重,見表1。
行為體驗,主要針對自動扶梯消毒產(chǎn)品的交互需求,包括產(chǎn)品消毒效果的可靠性、產(chǎn)品功能設計的完善性、消毒產(chǎn)品在自動扶梯上布局的合理性、可操作性、殺毒高效性等方面。
情感體驗,是行為體驗的延展,關注用戶的社會需求、情感需求和環(huán)境需求,主要是指用戶對自動扶梯消毒產(chǎn)品的需求是友好的,對產(chǎn)品的消毒功能是信任的,產(chǎn)品對于環(huán)境是具有環(huán)保性的。
感官體驗,是用戶包括視覺、嗅覺、聽覺和觸覺等感官上的一種需求,主要指用戶視聽上的體驗,強調(diào)舒適性。電梯扶梯扶手消毒產(chǎn)品主要關注產(chǎn)品造型的美觀度,也就是視覺感官上的美感體驗,產(chǎn)品設計風格要符合大眾的審美習慣。
圖1 自動扶梯扶手消毒需求層次分析模型
表1 自動扶梯扶手消毒方案PUGH矩陣評判標準
Tab.1 Escalator Handrail Disinfection Scheme PUGH Matrix Evaluation Criteria
在設計自動扶梯消毒產(chǎn)品的過程中,設計團隊形成了3種可選擇的初始設計方案。根據(jù)以上設計的自動扶梯扶手消毒方案PUGH矩陣評判標準和評判公式,將目前市場使用的扶梯消毒方案作為基準方案,新設計的3種方案與之對比,得到以下的PUGH矩陣。
表2 自動扶梯扶手消毒方案PUGH矩陣及分值
Tab.2 PUGH matrix and score of escalator handrail disinfection scheme
如前所述,在對自動扶梯消毒產(chǎn)品創(chuàng)新設計的研究中選擇了方案C,也就是全自動紫外線式扶梯消毒產(chǎn)品設計,見圖2,設計原則歸納如下:
1)靠性。采用恒流驅動,啟動快,更安全;提高產(chǎn)品使用壽命,可以長達30 000 h,解決每時每刻殺菌消毒的難點,能很好地解決目前自動扶梯傳統(tǒng)人工消毒耗時耗力的問題。
2)功能完善性。具備動能感應、自助預警、自動斷電等功能。
3)可操作性。容易安裝,不需要整流器、啟輝器,使用方便,成本上低損化,不僅性能提升、磨損率降低,而且節(jié)約維修成本,利于消毒產(chǎn)品市場普及推廣。
4)高效性。紫外線光波穿透率更高,強度更大,有效滅菌率≥99%;
5)布局輕量化。整合優(yōu)化了系統(tǒng)布局與部件間的合理間隙,保持紫外線消毒產(chǎn)品的內(nèi)側面與扶手帶表面兩者的距離在10 mm的范圍內(nèi),減輕重量,輕量化后仍保證原有未輕量前的消毒殺菌效果。
6)友好度。消毒產(chǎn)品非常契合市場的實際需求,能降低傳染病和細菌感染對人們造成的傷害,能自動預警,減少患病的概率,為公共自動扶梯提供一個更為衛(wèi)生清潔的環(huán)境,對用戶友好。
7)信任度。紫外線產(chǎn)品利用了殺菌效果突出的UVC波段,確保有效達到日常消毒和清除核酸污染的效果。
8)環(huán)保性。相對傳統(tǒng)消毒帶來的弊端,紫外線式產(chǎn)品破壞了微生物的核酸結構,使微生物死亡,并不可再生復制,從而達到殺菌的目的,無化學殘留或重金屬殘留,更環(huán)保。
9)美觀性。采用白色基調(diào),關注產(chǎn)品的造型美觀性和材質(zhì)的舒服性。
圖2 全自動紫外線式扶梯消毒產(chǎn)品設計
1)動能轉換技術模塊。產(chǎn)品放置在自動扶梯拐彎處的兩側,扶梯轉動帶動產(chǎn)品齒輪轉動,將扶梯勢能轉化成動能為發(fā)電裝置提供能源,再經(jīng)發(fā)電裝置轉化為電能,為紫外線消毒燈提供電力能源,從而達到對扶梯實時殺菌的作用。動能轉換技術模塊實現(xiàn)了動能轉換成電能的動能轉換過程。
2)UV–LED消毒技術模塊。產(chǎn)品消毒方式采用紫外線殺毒方式,在盒體底部設置了第一UV–LED燈板,UV–LED燈珠均布在第一UV–LED燈板上,燈板采用的UV–LED照明技術具有環(huán)保的特點,為純物理殺菌方式,無化學腐蝕性或化學物質(zhì)成分殘留,能夠快速有效地清除自動扶梯扶手帶上的細菌等微生物。
3)智能斷電技術模塊。裝置具有自助斷電的智能技術,當自動扶梯長時間未使用,扶梯轉動所帶來的勢能無法再將動能為發(fā)電裝置提供能源,使其通過發(fā)電裝置轉化為足夠的電能時,將進入自動斷電功能,可以節(jié)約耗電量。
4)鋰金屬電池模塊。產(chǎn)品采用的電池是輕而小巧的鋰金屬電池,以鋰金屬或鋰合金為負極材料,使用非水電解質(zhì)溶液的電池。與其他電池不同,具有更高充電密度、長壽命和高單位成本等特點。采用恒流驅動,啟動快,無頻閃,更安全。
全自動紫外線式扶梯消毒裝置的殼體兩側設計有卡槽,其內(nèi)部設計為中空,通過固定裝置與扶梯固定連接。發(fā)電裝置安裝在殼體中空的內(nèi)部,發(fā)電裝置的輸出端與齒輪相連,齒輪與扶手滾動連接。紫外線消毒燈安裝在殼體上部,即靠近自動扶梯扶手的頂端,與殼體固定方式為合扣,與扶手的間距為10 mm,紫外線消毒燈通過導線電性連通發(fā)電裝置。見圖3。
圖3 全自動紫外線式扶梯消毒裝置產(chǎn)品結構
確認方案的可實行性后,運用MAYA三維制作軟件進行3D打印模型制作,完成產(chǎn)品三維渲染效果,見圖4—5,最后采用光固化3D打印技術打樣原型,并進行方案展示,再次用PUGH矩陣驗證該產(chǎn)品設計的可行性。
圖5 自動紫外線式電動扶梯消毒產(chǎn)品
項目組運用3D打印技術打樣原型后,采用ATP熒光檢測儀對全自動紫外線式扶梯消毒產(chǎn)品的殺菌效果進行充分的實驗及研究。ATP熒光檢測儀原理是運用腺苷三磷酸(ATP)生物發(fā)光技術,通過“熒光素酶(Luciferase)–熒光素(Luciferin)體系”快速檢測出衛(wèi)生狀況[8]。由于ATP是一種在所有霉菌、細菌等活細胞中存在的直接能源物質(zhì),也就是說所有維生素都有衡量的ATP,而且ATP氧化反應后可以產(chǎn)生類似螢火蟲的光,容易被檢測到??梢酝ㄟ^物體表面檢測到的ATP含量來推斷該物品表面的微生物含量,從而精準判斷出其衛(wèi)生狀況[9]。以原有扶梯殺菌方式后扶梯上細菌情況為對照組,為采用全自動紫外線式扶梯消毒產(chǎn)品后的扶梯上細菌情況為實驗組。采集自動扶梯上的細菌并檢測出細菌種類,將采集到的細菌制成載玻片放在顯微鏡下觀察,記錄細菌情況,分析與記錄對照組的細菌情況。實驗證明,全自動紫外線式扶梯消毒裝置對常見的細菌有極強的殺滅率,完全可以實現(xiàn)先前的設想。
為進一步保證該產(chǎn)品的實用性與有效性,運用用戶評價法[10],將可靠性、功能性、可操作性、高效性、布局合理性、友好度、信任度、環(huán)保性和美觀性等9個方面的問題作為評判標準,每項滿分設置為5分,邀請10位消毒工作負責人員進行體驗,對原有方案和改造后的設計方案進行對比評價,見表3。
表3 方案體驗用戶評分
Tab.3 Program experience user rating
表4 評判標準的權重
Tab.4 Weight of the judging criteria
表5 體驗用戶現(xiàn)有原有方案加權
Tab.5 Weighting of users experience existing and original schemes
表6 體驗用戶改造后設計方案加權
Tab.6 Weighting of design scheme after user experience transformation
由表5—6可知,設計方案在9個方面的得分遠高于現(xiàn)有的消毒方案,更加接近理想設計方案,能夠有效解決目前電動扶梯存在的消毒需求問題,符合設計預期。
研究提出了全自動紫外線式自動扶梯消毒產(chǎn)品設計的方法,改進了現(xiàn)有自動扶梯扶手消毒遇見的問題。通過用戶評價法,得出可靠性、功能性、可操作性、高效性、布局合理性、友好度、信任度、環(huán)保性及美觀性是自動扶梯消毒產(chǎn)品的主要需求要素,確定了PUGH矩陣在自動扶梯消毒產(chǎn)品設計中的評判標準。結合PUGH矩陣選擇法權衡3種可選設計方案的合理性和優(yōu)劣性,確定最終設計方案。然后對選擇的產(chǎn)品方案進行外觀設計,并將產(chǎn)品創(chuàng)意進行三維可視化。項目采用了ATP熒光檢測儀對全自動紫外線式自動扶梯消毒產(chǎn)品的殺菌效果進行了充分的實驗及研究,同時,通過用戶評價法驗證了本設計能夠有效應用于自動扶梯的消毒,并能夠有效解決其目前存在的消毒需求問題。
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Innovative Design of Escalator Disinfection Product Based on PUGH Matrix
XU Qian-qian1, ZHENG Bing2, ZHANG Zhi-feng2,3, PAN Pei-yan1,3, LU Xiao-fen3
(1.School of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China; 2.State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China; 3.Huzhou Lvchan Intelligent Manufacturing Co., Ltd, Zhejiang Huzhou, 313000, China)
To solve such problems as time-consuming and labor-intensive traditional manual disinfection of escalators, difficult sterilization and disinfection at every moment, and incomprehensive disinfection. First of all, with the user evaluation method, it is concluded that reliability, functionality, operability, efficiency, layout rationality, friendliness, trust, environmental protection, and aesthetics are the main demand elements of escalator disinfection products. Secondly, the PUGH matrix selection method is proposed, which provides an effective evaluation tool for the selection of product design schemes and obtains the optimal design scheme from these three design schemes through cautious selection. Finally, design and improve the core modules of product solutions, the product idea is visualized in three dimensions, and the prototype is printed with light-curing 3D printing technology. The disinfection effect of the product is fully experimented and studied by ATP fluorescence detector, and the practicality and feasibility of this study are verified by user evaluation method. The proper use of this product provides a reasonable device for the improvement of escalator disinfection effect, which can more accurately meet the needs of escalator disinfection.
PUGH matrix; escalator; disinfection product; user evaluation method
TB472
A
1001-3563(2022)12-0045-07
10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.005
2022–01–19
國家自然科學基金(52075479);湖州市重點研發(fā)計劃(2019ZD2010);浙江省重點研發(fā)計劃(2022C01196)。
許倩倩(1983—),女,博士生,副教授,主要研究方向為教育數(shù)字化、產(chǎn)品設計、創(chuàng)新設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。
鄭兵(1976—),女,博士,副教授,主要研究方向為消費者行為、網(wǎng)絡營銷、工業(yè)管理、心理契約。
責任編輯: 陳作