用于地震救援的多功能担架的设计与制作

刘一璇，陈子慧，曾玲丽，许 可，陈潇冰，肖 伟，余善成

(1.南京医科大学生物医学工程与信息学院，江苏 南京 210029；2.南京医科大学康复医学院，江苏 南京 210029；3.东华大学机械工程学院，上海 201620；4.南京医科大学药学院，江苏 南京 210029)

0 引言

担架广泛应用于运送暂时性丧失自我行走能力的病人、伤员等[1]。医院、城市救援等应用场景相对固定，已经有各种各样功能齐全的担架供选择。然而现有的担架在应对地震等自然灾害时则无法很好地满足相对苛刻的需求[2]。国家应急管理部发布的2020年全国自然灾害基本情况显示，2020年各种自然灾害共造成1.38亿人次受灾，591人因灾死亡失踪，589.1万人次紧急转移安置[3]。当地震等自然灾害发生时，救护车往往因复杂的环境情况，如地面裂隙、巨石挡道、房屋坍塌等，无法直达救援现场。在搜救过程中，过于沉重、难以携带的担架会增加救护难度，降低救援效率，给救护人员带来极大的不便[4]。

不仅如此，在实施救援时，由于路面崎岖、山体陡峭等原因，担架在搬运过程中有倾倒的危险，这不仅会威胁伤病员在担架上的安全，还有可能加重伤病员的病情，造成二次损伤[5]。而对于骨折、心脏病和颅脑损伤的病人，过度的摇晃甚至会危及生命。与此同时，自然灾害产生的应激反应会使人们焦虑、寒战、心慌，对伤员的生理和心理造成伤害[6]。

因此，提高手抬担架的便携性和稳定性，尽量避免救护过程中的二次损伤，减轻伤员的应激反应是研究设计的重点。目前，国内对于平衡担架有一定研究，其中，邓君等[8]设计的全自向平衡车，改善了伤员搬运路途颠簸的情况，实现了角度自动校正，但却缺少对地形的适应性和行动的灵活度，造价也较为高昂。侯冰等[9]设计的基于角度传感器的自平衡担架中，首次将非线性PID引用到担架平衡的领域，但基于电推杆及电机的结构限制，担架较为沉重，难以携带。本文设计了一款用于地震中崎岖路面及恶劣天气条件时使用的平衡担架，旨在减小担架空间占量，便于携带，提高救援效率。

1 设计思路

本文设计的多功能担架结构上采用3个大小依次递增的框架，包括小框架、中框架、大框架及木榫连接处(见图1)。小框架与中框架前后相连，中框架与大框架左右相连，木榫连接处的限制活动角度为35°(见图2)，提高了手抬担架的稳定性。收叠担架时，中、小框架可向内侧收缩，并采用卡扣进行固定，大框架两端三等分点处放置可旋转180°的活动配件，实现外部框架的折叠(见图3)。经过收缩及折叠后，可以极大地缩小尺寸和占地面积，便于贮存、携带、转运。

图1 用于地震救援的多功能担架外观设计图

图2 连接处木榫的设计原理图

图3 可折叠设计原理及效果图

为了提高在地震等自然灾害场景下的可用性，担架的整体重量原则上应尽可能轻，可采用碳纤维、铝合金等材料。结合成本问题综合评估，本设计采用铝合金材料。铝合金材料质量轻，密度为2.73×103kg/m3，材料强度高、刚度好，抗变形能力强，可在保证结构强度的前提下有效减轻搬运人员的负担[9]。

人体承载部分采取编织式结构，内嵌非牛顿流体材料稳定层，外加尼龙绑带。首先，编织帆布材料，形成疏松多孔、延展性大的支撑面，使受力点成分散状态，增大其所能承受的重力。在帆布材料下附着一层非牛顿流体材料(见图4)。非牛顿流体材料具有“剪切增稠”的特性[10]，有较好地吸收外界冲击的能力，缓冲效果佳，保护性能好，可减少骨折、脊柱损伤病人遭遇二次伤害的可能性。此外，该材料为发泡环保材料，质量轻，可降解。

将编织好的帆布浸入聚酯纤维，在其表面形成一层疏水薄膜，有效解决了帆布吸水过重的问题。聚酯纤维是由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝所得的合成高分子纤维，质地柔软，疏水性能强，分子结构紧密，增强了帆布料的耐用性[11]。最后，在布料外层增加尼龙绑带，固定患者的胸、腰、髋、膝部，增加制动效果，以达到增强伤员自身稳固性的作用。

图4 人体承载部分的编制结构示意图

自然灾害产生的应激反应会使人们焦虑、寒战、心慌，保持伤者体温可以有效地降低应激反应。石墨烯是一种新型纳米材料，具有导电快、导热强、质地柔软等特点[12]，在担架布料内嵌以石墨烯复合材料为基础的电膜片发热装置(见图5)，通电后可将电能转化成热能，当温度达到设定值后，其内部的电阻器件电阻值将增大，使电流减小，实现自限温功能；其次，石墨烯复合材料具有可延展性、电阻率低、导热系数高等特质，可快速升温、节能省电，将热量以辐射形式输送至空间，使织料表面发热均匀[13]。

图5 石墨烯加热装置电路及封装示意图

2 样机验证

多功能担架在结构上采用陀螺仪原理[14](见图6)，遵循角动量守恒定律，具有特殊的定轴性和进动性，中心转子外连接2个平衡环，3个转轴两两正交，交点与中心转子质心重合。理想状态下，外力矩之合为零，中心转子的角动量守恒，可维持较强的稳定性，最内侧担架尽可能保持水平状态(见图7)。在地势起伏较大的情况下，最内侧担架可自适应调节平衡维持患者稳定。为防止因人体重心位置偏移造成担架侧翻过度，在木榫连接处的限制活动角度为35°，且在中、大框架之间以弹性带相连，以达到较佳的稳定效果。

图6 陀螺仪原理图

图7 理想目标状态的效果图

根据上述原理制作了简易实物样机(见图8)，采取自身对照形式，最外侧框架模拟普通框架，与最内侧框架进行对照，利用水平仪进行测试。担架水平放置时模拟平坦路面运输伤员，一高一低放置时模拟地势崎岖路段运输伤员，以重物模拟伤员，分别测量两框架在有无重物(伤员)的情况下测定水平及高低放置时的偏转度数(水平仪示数的变化值)，测量结果见表1。从表格的数据可以看出：在未放置重物时，担架外框角度平均变化31.96°，内框角度仅平均变化5.50°；放置重物后，担架外框角度平均变化32.82°，内框角度平均变化为13.71°。

图8 担架简易实物图

表1 担架内、外框的角度变化结果单位：(°)

可以看出，无论放置重物与否，担架内框的角度变化远低于外框的角度变化，表明类陀螺仪结构可以有效增加担架的水平稳定性。放置重物后，在外框角度变化基本相同的情况下，内框角度变化略有提升，可能是重物的质心与内框的偏差较大所致。

3 结语

本文基于陀螺仪原理设计制作了一款新型多功能担架，多框架结构使得在外框角度大幅改变时内框角度仅略有变化，加强了人体承载部分的稳定性，适用于因地震等自然灾害而导致的道路崎岖场景下的救援工作，减少对伤者造成二次损伤。石墨烯加热设计有利于保持伤者的体温，减小应激反应，可折叠的轻质便携设计有利于恶劣天气下设备的运送及向救灾一线的投放，提高救援效率。