可自動殺菌鞋的設計

尹義鵬 李云芳

（臨沂大學 機械工程學院，山東 臨沂 276000）

1 研究背景及意義

普通鞋子很容易滋生細菌，產生異味，甚至可能誘發腳氣以及其他皮膚病。對城市重點醫院、普通診所和城市人口“香港腳”的情況的調查問卷顯示，城市人口中成年男性都有不同程度的“香港腳”問題，并且59.93%的“香港腳”患者會特別在意別人的看法。“香港腳”作為一種常見的影響生活以及健康的因素越來越受到不同程度的關注。目前，對于“香港腳”的治療，一般會采用藥物治療的方式，但復發性太強。

為解決上述具有現實意義的問題，我們設計了能防止細菌滋生和自動殺菌的鞋子。該鞋子包括鞋體和安裝在鞋體內部的電子控制裝置。電子裝置由能量裝換裝置、儲能裝置、溫度監測裝置和超聲波發生裝置組成。超聲波清洗能夠殺菌，其原理是穿透細菌細胞核，使其裂變而死。“香港腳”產生的根本原因是腳部在比較潮濕的鞋子這種細菌天然的溫床條件下得不到充足的通風遭到侵害而產生的。利用超聲波裝置殺滅細菌，通風條件的設計使得患者擁有健康雙腳。

2 主要功能和性能指標

設計的自動殺菌鞋子不僅可以用于登山鞋，也可以用于其他鞋子。設計的自動殺菌鞋，通過超聲波發生裝置發出的超聲波特有的殺菌作用，利用能穿透細菌核的能力使其爆裂而死的原理起到保護雙腳的作用。[1]溫度檢測器件能隨時檢測鞋子內部雙腳的溫度，判斷是否應該啟用殺菌功能。除殺菌作用外，透氣功能較好的鞋子能預防再次產生“香港腳”。此殺菌鞋能預防和根治“香港腳”，而且舒適透氣。

3 設計方案

此鞋子主要由鞋體和安裝在所述鞋體內部的電子控制裝置組成。電子控制裝置包括將機械能轉換為電能的發電裝置、與能量轉換裝置連接并儲存電能的儲能裝置、用于檢測鞋體是否需要殺菌的溫度檢測裝置和用于殺菌的超聲波發生裝置。能量轉換裝置和儲能裝置放置在鞋跟位置，溫度檢測裝置設置在鞋掌下部，超聲波發生器裝置則放在鞋子前部，分布合理，效果理想。

本設計通過放置在鞋根位置的溫度檢測器件通過檢測溫度高低來判斷所述鞋體是否需要殺菌。儲能裝置與超聲波發生裝置之間設置開關S，開關S 由溫度檢測器件控制。通過設置在鞋體前端的超聲波發生裝置產生的超聲波從內向外擴散，對鞋體進行徹底殺菌。實用性主要表現在可自發電、環保節約、使用方便，不受地點限制、殺菌效果徹底。

3.1 能量轉換系統設計

圖1 機械能轉化成電能裝置圖

能量轉換系統由壓電元件、電容器裝置和控制裝置組成，利用每次腳跟落地時的機械能轉換成電能，如圖1 所示。為使它們承受相同的機械應力，由壓電材料組成的壓電元件和所述電容器板片基本平行。能量轉換裝置利用壓電材料在外力撞擊條件下的變形使材料中產生電荷。當壓電元件變形時，由壓電元件產生的電荷通過控制裝置傳送到電容器，電容器通過電容的變化會放大由壓電元件產生的電能。在壓電元件和電容器之間設置電荷傳送的控制裝置。電荷傳送的控制裝置由一個二極管和一個具有控制電路的開關形成。可變電容器由固定板片和移動板片組成，移動板片在外部振動效果下移動并且改變兩個板片之間的間隙，電容器電容改變。人在走動的時候會利用頻繁的自身體重來沖擊鞋跟，而安裝在該位置的能量裝換裝置會將該機械能轉化成電能并以電能的形式儲存在儲能裝置，為超聲波發生裝置殺菌提供必要的能量來源。該方案發電簡單方便，節能環保，特別適用野外環境。

3.2 殺菌系統設計

圖2 超聲波發生裝置示意圖

自動殺菌系統包括鞋體和安裝在所述鞋體內部的電子控制裝置。電子控制裝置包括將機械能轉換成電能的能量轉換裝置，儲存電能的儲能裝置，檢測所述的鞋體是否需要殺菌的溫度檢測器件和具有殺菌作用的超聲波發生裝置。儲能裝置，由整流電路和充電電池組成，起到儲存作用。在儲能裝置與超聲波發生裝置之間設置開關S，由溫度檢測器件通過感應器控制。超聲波發生裝置，設置在鞋體前端，殺菌從內向外進行，可對整個鞋體進行徹底殺菌，且功率適中，不會對人體造成傷害。溫度檢測器件放置在鞋體的鞋跟位置，能隨時檢測雙腳溫度改變，判斷是否啟用殺菌功能。當溫度檢測器件感應到鞋體內部溫度升高到特定溫度時，感應器導通開關S，觸發所述的殺菌發生器工作。超聲波發生裝置發出的超聲波，能穿透細菌核使其爆裂致死的原理起到保護雙腳的作用，如圖2 所示。本設計通過鞋子的使用過程產生電能，使用方便，節能環保。[2]

3.3 透氣鞋面、鞋體設計

在全部或者部分鞋面面料層間襯貼一層防水透氣膜，保證足部良好的透氣性。[3]鞋子面料選擇性較廣，織物、皮革、合成材料均可使用，面料與防水透氣膜粘貼以后，能提高鞋面的曲撓性，延長鞋子的使用壽命。

4 創新點及應用

（1）本自動殺菌鞋子的應用技術均已十分成熟，先進性在于其較好的整好了預防和殺菌的雙重技術，從根本上解決了“香港腳”一直危害生活健康的難題。

（2）本自動殺菌鞋子雖然應用較為先進的技術，但是其制造成本并不高，結合現在鞋子行業的銷售，其價格不會超過現有價值的1.5倍，普通大眾人口皆有能力購買。

（3）隨著健康意識的增強，對健康生活的追求不僅停留在衣食住行等基本的生活需求。此種自動殺菌的鞋子與普通日常使用的鞋子具有相同的應用環境但需求量會很大，應用領域和范圍會很廣。

［1］沈其動.超聲及其它方法聯合滅菌實驗性研究[D].陜西師范大學，2008.

［2］潘亞君.一種可自動殺菌的鞋子：中國，200920306270[P].2010.05.19.

［3］張文華.防水透氣膜及其在建筑外墻工程中的應用[C]//新防水堵漏工程標準宣貫與技術研討會論文集.2011.