用于摔倒后报警和头部保护的多功能帽的设计与制作

余善成 艾力·依布拉音 刘一璇 曾颜毓 邹晓伟 王承烁

摘 要：跌倒是老年人日常生活中面临的主要意外事件，威胁着老年群体的健康与安全。其中，摔倒引起的颅脑损伤具有较高的致残率，严重的甚至会危及生命安全。因此，针对头部的保护显得尤为重要，文章设计制作了基于非牛顿流体材料的保护帽，可以借助新材料优异的力学缓冲性能，有效减小摔倒时头部受到的冲击力。同时，其集成了声光报警模块，旨在摔倒时能够自动发出求救信号，提高摔倒者被救助的及时有效性，降低摔倒造成的伤害。

关键词：多功能帽;非牛顿流体;摔倒识别;声光报警

中图分类号：TP277;TH789 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-110-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.050

2013年，我国60岁以上老年人口已达到2.07亿[1-2]，占比达13.26%，人口老龄化现象严重[3]。随着年龄的增长，人体各功能器官老化现象越发严重，脑组织活跃度下降，导致反应不灵敏，肌肉萎缩容易引发意外摔倒事故[4]。据统计，65岁以上老年人有1/3遇到过摔倒问题，其中约1/5的摔倒导致了严重的颅脑损伤。摔倒引起身体不同部位损伤，导致的平均病死率为2.07%，但头部病死率却高达6.79%[5]。摔倒的高发生率、高致残率和高死亡率，使得摔倒成为老年群体生命安全的最大威胁之一。目前，国内针对老年人摔倒问题的研究侧重于“摔倒后头部保护”和“摔倒后报警”两个方面[6-7]。前者的创新要点在于，缓冲防护垫能在老年人摔倒时起到保护后脑部位的作用，但并未考虑到老年人侧卧式摔倒的情况，应用范围具有局限性;后者将装置安装在患者的手腕处，误触发率高。这些产品的研究并未将摔倒后的头部保护和报警有机结合，保护效果有限。文章设计制作了摔倒后报警和头部保护的新型多功能帽，新型防护材料的使用有助于降低老年人因跌倒而造成的头部损伤。同时，其集成了声光报警模块，摔倒时能够自动发出求救信号，可以提高被救助的及时有效性。

1 设计思路

通过对头部及摔倒状态的观察，发现摔倒时头部的着地点主要为头部两侧上颞线最高处、枕外隆突处，如图1中③、④所示。因此，非牛顿流体防护材料制作成如图1中②所示的形状，在保证多功能帽轻便的基础上能够有效地保护头部，避免摔倒时硬着地带来的外力冲击损伤。此外，防护帽的主体如图1中①所示，外观与普通太阳帽相仿，简洁、美观，易于被老年消费者接受。

非牛顿流体材料是一种剪切稠化流体材料，当作用力缓慢施加到剪切增稠流体时，聚合物链有时间移动并重新排列，因此粘度减小;如果快速施加作用力时，聚合物链没有时间重排，将会纠缠在一起，粘度大大增加。如图2所示，剪切稀化流体（左）：施加的剪切力破坏了聚合物间的氢键（或其他二级结构），聚台物更容易流过。去除应力时，聚合物链之间的氢键再次形成。剪切稠化流体（右）：施加剪切力可导致聚合物的无规卷曲解开并且彼此缠结，提高粘度。去除应力时，聚合物恢复到无规线团状态。

声光报警功能原理如图3所示。5V电源给单片机供电，通过JY-61姿态传感器实时获取加速度、角速度和角度数据。信息数据通过串口传至51单片机进行解算，通过监控加速度数据判断是否发生跌倒行为。若获取的加速度异常（超出设定阈值），单片机将控制蜂鸣器和LED灯发出声光警报。

2 实物介绍

依据多功能帽设计图及声光报警电路图的分析結果，采购相关材料与电子元器件，包括太阳帽、非牛顿流体材料、5V锂电池、STC89/STC12单片机板、JY-61六轴加速度传感器、LED二极管、蜂鸣报警器等。以太阳帽为基础制作如图1中②所示形状的夹层，非牛顿流体防护材料填充在夹层中，以实现较好的力学缓冲保护功能。电子元器件经手工焊接组装、控制程序编写及调试，实现了摔倒模型中触发声光报警的功能。集成了摔倒时头部保护并及时发出声光报警功能的多功能帽原型样机实物如图4所示，其中包括：（1）多功能帽主体;（2）非牛顿流体材料填充的夹层;（3）锂电池电源;（4）单片机主板;（5）加速度姿态传感器;（6）蜂鸣报警器;（7）LED灯。

3 样机性能

通常，在走路等情况下，人体加速度数值变化不大;但当摔倒发生时，人体加速度将发生较大变化。加速度姿态传感器获取到变化的加速度，当判定加速度数值达到或超过设定阈值时，则自动发动声光报警器向周围发出求救信号。一方面，可以解决老人摔倒后因意识丧失不能自主向外界求助而影响救助及时性的问题;另一方面，声光报警方式的结合，可以有效将求助信号传递出去，白天以声音引起周围人的注意，晚上则可借助光信号较快指引施救者来到摔倒老人身边，实施及时救助。在摔倒模型测试中，文章所设计制作的多功能帽原型样机，对各种摔倒姿势的报警成功率达到了100%。

非牛顿流体材料是一种剪切变稠聚合物。在受到强冲击力时，聚合物分子链蜷曲缠结在一起，提高黏度，吸收冲击能量，广泛应用于军事装备和体育器材方面[8]。美国知名男士服饰品牌Brooks Brothers，是最早围绕非牛顿流体材料“剪切增稠”特性开发鞋底材料的鞋企。该鞋企上一代的缓冲材料为“Brooks DNA”（非牛顿流体材料），而目前该鞋企的中底材料则更胜一筹，采用“BioMoGo”与“Brooks DNA”结合制成复合材料“BioMoGo-DNA”，代替之前的中底材料。著名的D3O材料也应用于各大体育防护服上。本制作将其用于老年人摔倒防护中，具有很好的实用价值。力学测试结果如表1所示，相比于传统防护材料EVA、SBR等，非牛顿流体材料防护下测试到的冲击力最小，并且缓冲能力高达58.31%，具有很好的力学防护性能，能够有效减小摔倒时地面冲击力对老人头部的伤害。

4 结语

文章设计制作了用于摔倒后报警和头部保护的多功能帽，借助非牛顿流体新材料优异的力学缓冲性能，有效减小了摔倒时头部可能受到的冲击力。同时，结合声光报警，在老人摔倒时自动发出求救信号，提高其被救助的及时有效性。双管齐下的策略，可以大大降低老人头部因摔倒而造成严重伤害的风险。

参考文献

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[8] 商昌敏，陈思凡.非牛顿流体材料在体育防护中的应用价值探析[J].福建体育科技，2019，38（2）：40-42.