GPS定位缓冲减振鞋

湖北省襄阳市诸葛亮中学教育集团 汪嘉瑞

（指导老师：曾 萍）

随着年龄的增长，老人们的记忆力逐渐下降，尤其是阿尔茨海默病患者，出了家门就很难顺利找到回家的路，而且长时间行走会对老人的膝盖造成伤害。有些小孩趁大人不备偷偷溜出去玩，想回家时又记不准回家的路。为了保证老人、小孩们能安全回家，家人会为其佩戴定位手表或电话手表。

通过试用，我发现目前市面上的这些设备还存在一定的缺陷，比如定位不准，未及时充电导致突然断电等。针对上述问题，我开展了研究。

一、设计目的

制作一款能持续充电、具有GPS定位功能且能减振的鞋子。

二、设计思路

1.在鞋底安装GPS模块，定位准确，能及时、有效地引导穿戴者顺利回家。

2.人体膝盖内的半月板一旦受伤后难以恢复，我想在鞋子内部安装弧形金属以保护半月板。

3.人在运动时有振动产生，我想在鞋子内的弧形金属上加装压电陶瓷片，通过压电陶瓷原理，将动能转化为电能，为GPS模块充电。

三、设计原理

1.压电陶瓷的电效应原理

具有压电效应的晶体被称为压电晶体，当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电荷。

压电陶瓷发电装置的核心是压电振子。陶瓷材料很脆，一般将其与某种金属弹性材料粘合，共同构成压电振子。

2.压电陶瓷发电装置的电学等效模型

压电振子的上、下表面在压力作用下产生电荷，相当于一个电容，在其两极产生电荷后储存一定的能量。压电振子可简化为一个正弦电流源，与内在的电极电容并联。

压电振子在交变的外力或有规则的冲击作用下，其电压和电流都呈现交变特性，而给微型电池充电需要稳压直流，故需对其进行整流。为了尽可能提高输出电压，我设计了三倍压整流电路。

由于压电陶瓷发电装置产生的电压、电流不稳定，瞬时电压存在突变，而微型电池充电时需要恒压、恒流的电源，所以要将突变的电流和电压转化为恒定的。

四、制作过程

基于压电效应提供电能的GPS定位缓冲减振鞋由压杆发电模块、升压模块、锂电池、GPS定位模块等组成。

首先，我要找到将脚掌与地面接触时的挤压力转化为电能的方法。我想到了两种方法，一种是用磁力圈运动把机械能转化为电能，并用锂离子电池存储电能。经过几次试验发现，磁力圈结构复杂且体积较大，不适合将其装在鞋子内。第二种方法是，用压电陶瓷片把动能转化为电能，压电陶瓷片体积小，外形可塑，再将电能储存在微型电池中，即可解决供电问题。

图1 制作过程

接着是组装鞋子的底部结构。首先确定压电陶瓷的位置，因为其有减振功能，将其置于脚掌前端最有效。我将所有元器件组装后试验，发现无法给GPS模块电池充电，原来是电压不够大，于是，我用升压模块将电压升高后，此问题得以解决。

最后，在手机上下载云参谋定位App，与鞋子的GPS模块连接，再运行参谋定位App软件，检验能否查看人的运动历史轨迹，可选择智能模式和定时定位模式，实现实时追踪。

图2 GPS定位缓冲减振鞋实物图

五、创新点

1.GPS定位缓冲减振鞋的压电陶瓷片为金属材质，将其安装在脚与鞋子的接触面，能起到缓冲、减振的作用。

2.选用超级电容作为充电电容，容量大、寿命长，不易被损坏。

3.连接GPS定位模块，老人或小孩若不慎走丢，家人及时登录定位App，便可快速将他们找回。

专家点评

汪嘉瑞同学的“GPS定位缓冲减振鞋”项目从关爱特殊老年人和幼儿出发，体现了发明人的爱心与创新意识。

其一是在鞋子中增加GPS定位功能，便于家人寻找走失者；其二是项目运用的原理较独特。现在的减振鞋主要有气垫减振型：鞋跟处敷有气垫，作为吸收冲击力的一种方式。油包减振型：利用油包吸收缓冲力。材料减振型：应用吸振聚氨酯材料来达到减振的效果。减振鞋垫型：通过减振鞋垫来达到减振的效果。而本项目则采用金属双面拱形结构弹性缓冲减振方式，别具一格。

不过，这个项目值得商榷的方面有以下两点：第一，老人、幼儿群体真的都适合穿这款鞋子吗？第二，在“鞋子内部安装弧形金属”就一定会“有助于保护半月板，减少运动对半月板的伤害”吗？