让逃生更成功——仿鸟呼吸式汽车落水再生制氧生命保障装置的研制

◎长沙市长郡芙蓉中学 喻梓宸 龙奕丞 蔡宗林

一、课题背景

汽车落水后，很多人会惊慌失措，一时无法进行理性判断，导致大多数情况下逃生失败。

我们想设计一种装置，实现在汽车落水后，车内人员在破窗逃生前能正常呼吸，从而提高车内人员的逃生成功率。

二、调查与实验

1.查阅资料

人教版初中生物七年级下册教材中列出了人体吸入与呼出的气体成分对照表，根据表中数据可知，当人们呼吸时，吸入的新鲜空气与呼出的气体成分中，氧气的含量由21%下降为16%，而二氧化碳的含量则由0.03%增加到4%。数据表明，人们的生命活动需要不断地消耗氧气，产生二氧化碳。

要保证人在水中也能正常呼吸，则需要为人体提供一个小型的呼吸环境，这个呼吸环境中需要有一定的气体量。而要保证小环境中的气体与大气中的气体成分基本相同，则需要不断地向小环境气体中补充氧气，并消耗掉人体排出来的二氧化碳气体。

2.测量与分析

在老师的指导下，我们利用肺活量计按年龄、性别等随机选择一些人进行测试，多次测量他们30 s内呼出的气体量，以此作为正常人正常情况下每分钟呼吸的气体量。

从测试数据分析可知，人在正常情况下，每分钟呼吸的气体量大约为7500 mL。由此可推算出，人体平均每分钟需要消耗的氧气约有375 mL（0.54 g/min），排出的二氧化碳约有300 mL（0.591 g/min）。这就说明我们设计的装置要满足个人小环境呼吸的需求，制造氧气与处理二氧化碳的速率需达到这个要求。

3.实验与分析

我们通过在化学实验室中利用氯酸钾、高锰酸钾加热制取氧气，利用过氧化氢（双氧水）制取氧气，利用电解水制取氧气，利用过氧化钠固体与二氧化碳制取氧气等方法，对几种制取氧气方法的条件、速率、安全性等方面进行了对比研究与分析。

表1 几种制取氧气的方法及制氧速率的实验测定对比分析

通过分析发现，在学校现有实验室的条件下，几种方法制取氧气的速率均低于人体正常呼吸对氧气消耗的速率（0.008 9 g/s）。

当然，从理论上分析，若改变实验的条件，如提高反应温度，增大电压、电流等，能在一定程度上提高制取氧气的速率，从而达到人体对氧气消耗的速率，但这样需增大装置的体积、增加耗能等。

从过氧化钠与二氧化碳反应制取氧气速率的测试实验中可看出，增大过氧化钠与空气的接触面积，可提高制取氧气的速率，同时提高消耗二氧化碳的速率。通过实验与分析发现，采用过氧化钠与空气中的二氧化碳反应制氧的方法，不需要其他条件，还很安全，同时能消耗掉人体呼出的二氧化碳，正好满足本项目的需求。因此，本项目优选过氧化钠与空气中二氧化碳反应制取氧气的方法。

三、方案设计与分析

鸟类的呼吸系统（如图1）采用气管—肺—气囊的连接方式。由于有气囊的辅助作用，吸气时大量的新鲜空气由气管经过肺进入气囊，并暂时储存起来，部分新鲜空气在肺内进行气体交换。呼气时，肺内己经进行了交换的空气先经过气管排出肺，同时储存在气囊内的新鲜空气进入肺，继续进行气体交换。

图1 鸟类呼吸系统结构图

这种方式能让鸟类在吸气与呼气的过程中都有大量的新鲜空气在肺内进行气体交换，从而形成了它们为适应飞行生活特有的双重呼吸方式。

受此启发，我们的装置也效仿鸟类呼吸系统的结构与原理进行设计。装置结构如图2，包括面罩、显示器、导气管、空气监测舱、呼吸舱、控制盒、储气室、弹性缓冲囊等。

图2 仿鸟呼吸式汽车落水再生制氧生命保障装置结构图

面罩的呼吸腔通过导气管与空气监测舱相连，空气监测舱内设有氧气传感器和二氧化碳传感器，空气监测舱的一侧与呼吸舱相连，呼吸舱内放置过氧化钠。为了增大过氧化钠与空气的接触面积，将过氧化钠的反应芯设计成仿蜂窝煤球结构式（如图3），在呼吸舱外侧设有风扇，能加速空气流动，提高空气与过氧化钠反应的速率。

图3 仿蜂窝煤球反应芯结构图与实物图

在控制盒内设有Arduino uno控制板、sim800A通 信 模 块、UNV-UBLOX-GPS全球卫星定位模块、电源等控制电子器件，用来监测经过空气监测舱的氧气与二氧化碳的含量，并实时显示在显示器上。

当氧气含量低于设定的19.5%或二氧化碳含量高于设定的0.1%时，启动风扇，加速呼吸舱内空气与过氧化钠反应的速率。同时当装置内的氧气含量低于19.5%或二氧化碳含量高于0.5%时，发出报警声，提醒车内人员需尽快游出水面。

通过程序控制，只要当装置的电源开关闭合，装置通电后，Arduino控制板便能从GPS全球卫星定位模块获取经纬度地址数据，然后通过sim800A通信模块向指定的手机发送中文短信“我的汽车意外落水，目前有生命危险，请速来救援！”以及汽车落水的时间、地点的经度和纬度数据（如图4），以便救援人员在经纬度定位器上进行定位查询与导航，以最快的速度来到事故地点进行救援。

图4 装置向手机发送的求救信息

四、装置制作

我们按设计的方案，从网上购买了Arduino uno控制板与拓展板、氧气传感器、二氧化碳传感器、LCD1602显示屏、sim800A通 信 模 块、UNV-UBLOX-GPS全球卫星定位模块、电源、潜水呼吸面罩、伸缩折叠塑料盆等材料，利用科技室的材料与设备，完成装置的加工与制作。装置实物如图5。

图5 仿鸟呼吸式汽车落水再生制氧生命保障装置实物图

五、创新点

1.本项目针对汽车落水后车内人员逃生时遇到的问题，提出车内人员自主再生制氧逃生理念，为提高汽车落水后车内人员的生存率提供了一种新思路。

2. 本项目模仿鸟类双重呼吸方式以及蜂窝煤球反应芯结构，实现了能自主利用呼出的二氧化碳再生制氧，维持车内人员生命的功能。

3. 测定了实验室条件下多种方法制取氧气的速率，为本项目优选制氧方式提供了保障，同时依据实验测定获得的数据，确定了装置的基本参数，保证了装置的灵敏性与可靠性。

综上所述，本项目具有重要的实用价值和推广使用价值。

专家点评

该项目是一项独辟蹊径的发明作品。在项目的实施过程中，几位同学采用了资料分析法、对比实验法、仿生法、建模法等科学方法，稳步实践，从知识与能力上不断突破，使最初的设想变成了现实。

值得思考的是：一，怎样做到在真实情境中发现问题，并产生出人意料的独特创意；二，怎样运用STEAM教育理念和方法，将所学的生物学、物理学、信息学、化学、数学等学科知识综合应用，在着重提升自己跨学科知识综合应用能力的同时，解决好实际问题；三，怎样通过项目的实践，学会与人合作，提升自己在科技创新实践中的合作能力。