淺析靜脈瓣仿生設(shè)計(jì)在垃圾管道中的應(yīng)用＊

馬寶峰，郜路明，梁 晉

（太原學(xué)院，山西 太原 030000）

靜脈瓣是存在于人體靜脈血管中的一種結(jié)構(gòu)，瓣膜形狀大多以半月形雙葉瓣為主。其作用是使靜脈血單向向心臟方向回流，即起到單向閥門的作用。當(dāng)血液向心臟方向流動(dòng)時(shí)，瓣膜貼附在靜脈壁上，靜脈通暢無阻，當(dāng)站立或其他原因引起靜脈壓力增高時(shí)，引起靜脈血逆向流動(dòng)。在逆向血流的沖擊下，靜脈的2個(gè)瓣葉張開靠攏，來阻止靜脈逆流。

靜脈瓣在人體的分布很不平衡，分布的一般規(guī)律：受地心引力較大、血液回流比較困難部位的靜脈瓣特別發(fā)達(dá)，反之則完全無瓣或數(shù)目較少。例如，四肢的靜脈瓣最多，下肢多于上肢；中等口徑的靜脈瓣一般都比較豐富，而小靜脈和大靜脈干內(nèi)很少有瓣。靜脈瓣的平面示意圖如圖1 所示。

圖1 靜脈瓣平面示意圖

在生活中，靜脈曲張正是因?yàn)闊o靜脈瓣或靜脈瓣受損。不少醫(yī)生和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，秦月琴等[1]通過研究靜脈瓣與力學(xué)之間的關(guān)系，得出瓣膜具有一定的強(qiáng)度，能承受一定的負(fù)載；張永珍等學(xué)者通過比較3 種不同方法制備的帶瓣靜脈脫細(xì)胞支架的組織學(xué)、生物學(xué)特性，得出反復(fù)凍融法對(duì)脫細(xì)胞帶瓣靜脈支架結(jié)構(gòu)損傷較小、生物相容性好，是一種制備脫細(xì)胞帶瓣靜脈支架材料較好的方法。同時(shí)，世界上不少公司已研發(fā)出相對(duì)成熟的靜脈瓣膜，Hancock Jaffe Laboratories 開發(fā)了一種生物靜脈瓣膜VenoValve?，該瓣膜是不銹鋼瓣架和豬主動(dòng)脈單瓣葉的組合，用于糾正或減少深靜脈系統(tǒng)內(nèi)的靜脈反流，治療下肢慢性深靜脈功能不全；德國Fraunhofer 制造工程和自動(dòng)化研究所的科學(xué)家和RWTH Aachen 大學(xué)Helmholtz 生物工程研究所合作開發(fā)了一款由聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）制成的人工瓣膜；國內(nèi)杭州啟明醫(yī)療器械有限公司研發(fā)出中國首個(gè)經(jīng)導(dǎo)管人工瓣膜“Venus A-valve”。

目前專家和學(xué)者對(duì)靜脈瓣的研究主要在于人體靜脈瓣移植和人工瓣膜的選取與制作，而本文主要研究的是基于靜脈瓣的原理進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)以運(yùn)用在垃圾管道之中并對(duì)類靜脈瓣裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1 研究背景

1.1 垃圾管道實(shí)施現(xiàn)狀及問題

1.1.1 垃圾管道的實(shí)施現(xiàn)狀

隨著人們對(duì)生活條件和環(huán)境要求的日漸提高，垃圾管道由傳統(tǒng)的以人力清運(yùn)方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)用垃圾氣力輸運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高效率、節(jié)能和環(huán)境友好等突出特點(diǎn)，大大提高了垃圾回收的效率，縮減垃圾回收處理的周期，代表了城市垃圾回收的發(fā)展方向。

垃圾收集系統(tǒng)根據(jù)垃圾投放口的位置分為室外型和入戶型。室外型的垃圾收集系統(tǒng)投放口位于建筑外部，用戶需要將垃圾打包后帶到建筑外，投入垃圾投放口中；入戶型的系統(tǒng)在每一個(gè)樓層內(nèi)都有一個(gè)垃圾投放口，用戶在樓層之內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)垃圾投放[2]。1961 年瑞典CENTRALSUG 公司首次提出并發(fā)明了真空垃圾管道收集系統(tǒng)，其最早用于醫(yī)院垃圾回收，自1967 年起開始在住宅區(qū)裝配使用[3]。目前在國外應(yīng)用廣泛且技術(shù)相對(duì)成熟的氣力垃圾管道收集流程如圖2 所示，它主要應(yīng)用于密集的商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)及一些對(duì)環(huán)境要求較高的地區(qū)。

圖2 氣力垃圾管道收集流程

目前，國內(nèi)上海浦東國際機(jī)場(chǎng)和廣州白云新國際機(jī)場(chǎng)采用了瑞典ENVAC 系統(tǒng)（ENVAC 公司前身即上文所提到的CENTRALSUG 公司），該系統(tǒng)的投入使用有效減少了機(jī)場(chǎng)龐大的人流量與產(chǎn)生大量垃圾之間的矛盾與沖突。上海泰晤士小鎮(zhèn)是國內(nèi)首個(gè)使用垃圾管道輸送系統(tǒng)的住宅區(qū)，服務(wù)范圍為500 戶，投放口共計(jì)93 個(gè)，排放閥數(shù)共計(jì)20 個(gè)，管道總長(zhǎng)度1 000 m。為徹底解決垃圾收集過程中產(chǎn)生的二次污染問題，廣州市市容環(huán)衛(wèi)局在金沙洲引入垃圾管道輸送技術(shù)，已建成的3 號(hào)系統(tǒng)，收集垃圾56 t/d。此外，中國人民解放軍總醫(yī)院、上海世博會(huì)、西班牙“巴塞羅那”奧運(yùn)村、葡萄牙里斯本世博會(huì)等項(xiàng)目均采用了垃圾管道輸送技術(shù)。

1.1.2 垃圾管道目前存在的問題

就目前垃圾管道的研究來看，現(xiàn)代垃圾管道在流程上已經(jīng)較為完善，從垃圾投放始至垃圾處理終包括了垃圾分離器、抽風(fēng)機(jī)、垃圾壓縮機(jī)、除塵器、消聲器等設(shè)施。但對(duì)于垃圾管道這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要想做到穩(wěn)定運(yùn)行并不容易，目前仍存在一些技術(shù)難題，例如彎道磨損、異味上竄、管道堵塞、動(dòng)力系統(tǒng)保證不足等一系列問題[4]。

彎道磨損。在垃圾管道彎曲的部分，垃圾會(huì)與管道側(cè)壁發(fā)生碰撞，垃圾高度越高、質(zhì)量越大、物體越堅(jiān)固，對(duì)管道的破壞力就越大，一般情況下，管道曲率越大，碰撞越激烈，減速也越快，長(zhǎng)期以來會(huì)使得管道破損引發(fā)管道漏氣。

異味上竄。在垃圾管道中，垃圾產(chǎn)生的氣體由于在封閉空間里一直存在，致使人們?cè)诖蜷_垃圾投放口時(shí)，總能聞到陣陣惡臭。

管道堵塞。引起垃圾管道堵塞的情況主要有以下2種：①在下落過程及彎道處，垃圾與管壁和彎壁碰撞減速，容易引起垃圾聚集，造成堵塞；②由于人為的因素，將一些非生活垃圾投入垃圾管道，致使物體在下落過程中卡于管壁之間造成堵塞。

1.2 仿生設(shè)計(jì)

仿生設(shè)計(jì)是通過模仿自然界中生物的生活習(xí)性及特殊本領(lǐng)，并利用工業(yè)設(shè)計(jì)的思維創(chuàng)新方式，將仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能方面的特性合理運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中[5]。

隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，仿生設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。通過對(duì)蚊子上顎表面非光滑狀態(tài)的研究，設(shè)計(jì)出注射器針頭；通過對(duì)鯨、海豚圓潤(rùn)頭部以及光滑的身體曲線的研究，設(shè)計(jì)出輪船外觀頭部及外觀流線；科學(xué)家根據(jù)青蛙眼睛的特殊構(gòu)造研制了電子蛙眼，用于監(jiān)視飛機(jī)的起落和跟蹤人造衛(wèi)星；根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理仿照鴨子頭形狀而設(shè)計(jì)出了高速列車；通過對(duì)螢火蟲發(fā)光原理的研究，獲得了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能的新方法，從而研制出化學(xué)熒光燈等。

對(duì)生物習(xí)性和特點(diǎn)的仿生設(shè)計(jì)是從自然界生物中汲取靈感展開設(shè)計(jì)的過程，可以對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行不斷的創(chuàng)新改善，促進(jìn)人與自然的和諧，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，為設(shè)計(jì)者提供不同的思路，為產(chǎn)品市場(chǎng)不斷提供新鮮血液。通過仿生設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者不會(huì)局限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能，他們可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中加入一些自然界的元素，以設(shè)計(jì)出美觀而富有趣味性的產(chǎn)品。自然界的各類生物在不斷進(jìn)化過程中形成了不同的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)其研究常常能為設(shè)計(jì)師帶來全新的功能實(shí)現(xiàn)方案，開發(fā)新的產(chǎn)品功能。

通過對(duì)靜脈瓣的研究發(fā)現(xiàn)其具有以下特點(diǎn)：①單向性。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，靜脈內(nèi)的血液被壓縮，瓣膜張開；當(dāng)肌肉擴(kuò)張時(shí)，瓣膜關(guān)閉，防止血液發(fā)生逆流[6]。②復(fù)雜性。靜脈瓣的開合受壓力梯度、骨骼肌泵、重力和呼吸泵等多種機(jī)制共同作用。③受損不可逆性。因長(zhǎng)期站立或其他原因?qū)е录∪馐湛s靜脈瓣長(zhǎng)期處于張開狀態(tài)，使得靜脈瓣無法閉合，一旦靜脈瓣受損，難以恢復(fù)。④多個(gè)共同作用。在人體中，靜脈瓣一般都是多個(gè)共同作用以達(dá)到防止血液倒流的效果。

基于這些特點(diǎn)，可將仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用于垃圾管道之中，對(duì)下落的垃圾起到減速和緩沖的作用以及防止垃圾管道內(nèi)異味上竄給人們的生活帶來不便。

2 必要性及可行性分析

2.1 必要性分析

隨著中國城市化生活進(jìn)程的加快，再加上居民生活水平的不斷提升，城市生活垃圾產(chǎn)生量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，近年來中國已成為世界上城市生活垃圾處理壓力最大的國家之一。就國內(nèi)情況而看，目前實(shí)施垃圾分類只在一些試點(diǎn)城市，尚未普及到國內(nèi)每個(gè)省份，通過政策的引導(dǎo)和處罰讓城市居民自覺進(jìn)行垃圾分類，垃圾分類的基礎(chǔ)設(shè)施和流程尚未完善。相比國外，居民住宅樓已經(jīng)配有垃圾管道系統(tǒng)，通過不同的垃圾管道來對(duì)不同類型的垃圾進(jìn)行分類、集中和處理。從這個(gè)角度來看，中國精準(zhǔn)地實(shí)行垃圾分類還有很長(zhǎng)的路要走。

垃圾管道在國內(nèi)推廣受阻的原因之一是建設(shè)和維修成本大。日常的垃圾管道清潔和疏通的費(fèi)用雖然較大，但垃圾管道為人們?nèi)粘Ｉ钜矌磔^大的便利，這促使垃圾管道的普遍應(yīng)用成為發(fā)展的大趨勢(shì)，面對(duì)目前垃圾管道存在的技術(shù)難題和人們對(duì)垃圾管道系統(tǒng)的接納度低等問題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)運(yùn)用新興的科學(xué)技術(shù)、工業(yè)化生產(chǎn)、創(chuàng)新營(yíng)銷手段以及仿生設(shè)計(jì)等方法不斷克服垃圾管道在普及路上的困難，以便利日常生活，為人們提供美好的生活環(huán)境，從源頭上對(duì)垃圾分類精準(zhǔn)把控，減少垃圾資源的浪費(fèi)，為社會(huì)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。所以對(duì)垃圾管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行改造創(chuàng)新，減少建設(shè)、維修成本成為了不可忽略的一個(gè)問題。

2.2 可行性分析

2.2.1 材料可行性

靜脈瓣在選材過程中必須考慮是否透氣、是否易損、是否有彈性、是否易恢復(fù)等因素，所以靜脈瓣在選材過程中不能選擇過于柔軟也不能選擇過于堅(jiān)硬的材料，所選的材料表面必須是粗糙、不透氣、不易損、易于恢復(fù)的材質(zhì)。選擇不同的材料對(duì)垃圾下落過程的削弱速度大小不盡相同，在實(shí)際選取中，需要通過計(jì)算不同材料之間的實(shí)際應(yīng)用效果來確定，而在本文第三節(jié)中計(jì)算了類靜脈裝置關(guān)鍵參數(shù)，可以此為參考來選擇合適的材料。

2.2.2 技術(shù)可行性

靜脈瓣是貼附于管壁的膜瓣裝置，瓣膜必須與管壁之間緊密貼合為一個(gè)整體。目前，3D 建模、3D 打印、鑄造、粘附等工藝流程逐漸完善，通過這些技術(shù)可以對(duì)含有靜脈瓣裝置的管道的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。此外，隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，在對(duì)靜脈瓣的原理進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)之前，可通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)靜脈瓣的預(yù)期效果和潛在問題進(jìn)行仿真并不斷完善仿生設(shè)計(jì)，以確保在實(shí)際應(yīng)用中能達(dá)到預(yù)期效果。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)可行性

類靜脈瓣裝置與管道連接處易于拆卸，如遇類靜脈瓣裝置受損、垃圾管道堵塞等問題，可將類靜脈瓣裝置卸下，更換類靜脈瓣裝置和清理管理，在很大程度上減少了維修和維護(hù)成本。

3 類靜脈瓣裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 類靜脈瓣裝置的設(shè)計(jì)

通過對(duì)靜脈瓣的研究可知，靜脈瓣具有單向流通性和緩沖作用。可在垂直管道中增加類靜脈瓣裝置對(duì)垃圾下落的過程起一個(gè)緩沖作用，使得垃圾在下落過程中通過降低速度、減少?zèng)_擊力來保護(hù)管道。安裝了類靜脈瓣裝置后，類靜脈瓣裝置張開讓垃圾下落后閉合，防止異味上竄，而使異味通過抽氣機(jī)凈化達(dá)到環(huán)境友好的效果。

通過物理方面相關(guān)研究，可以將類靜脈瓣裝置視為一個(gè)減速裝置，垃圾在通過類靜脈瓣裝置的過程中，由于類靜脈瓣裝置的阻擋和摩擦使得下落速度減慢，隨后在重力的作用下繼續(xù)加速，再次通過類靜脈瓣裝置時(shí)，將由于重力產(chǎn)生的速度繼續(xù)抵消，如此循環(huán)，可以視垃圾在整個(gè)下落過程中為一個(gè)近乎恒定的速度來減少巨大沖擊力對(duì)底部垃圾管道的損壞。

考慮到實(shí)際生活中，可能存在空氣阻力以及管壁碰撞等因素致使垃圾減速，故在設(shè)計(jì)垃圾投放口時(shí)，可提升垃圾投放口的高度，增加垃圾在進(jìn)入第一個(gè)靜脈瓣的速度以減少因速度過慢而造成管道堵塞的可能。

3.2 類靜脈瓣裝置關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

垃圾管道類靜脈瓣裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠?qū)ο侣涞奈矬w起到削弱速度的作用，因此在設(shè)計(jì)類靜脈瓣的過程中不能忽略類靜脈瓣裝置對(duì)其削弱速度的大小以及需設(shè)計(jì)幾個(gè)類靜脈瓣裝置共同作用，一方面要保證垃圾能夠正常降落至垃圾管道的底部，另一方面要保證防止異味上竄的作用。對(duì)此，通過計(jì)算模擬了類靜脈瓣裝置的數(shù)量和類靜脈瓣裝置削弱速度大小的關(guān)系以及垃圾在下落過程中所受的支持力大小。

假設(shè)垃圾在剛下落時(shí)初速度為0，為避免垃圾下降速度過慢所導(dǎo)致的堵塞，每層垃圾投放口需提升投放高度h1=3 m（提升高度可通過管道工藝設(shè)計(jì)達(dá)到），在通過類靜脈瓣裝置后削弱速度V2，隨后重力導(dǎo)致加速，在通過下一類靜脈瓣裝置時(shí)將其削弱，如此反復(fù)，使得垃圾在管道里以近似V3的速度一直下落，假設(shè)每層樓之間的高度h1=3 m，每層樓之間安裝2個(gè)類靜脈瓣裝置（0 m 處和1.5 m 處各一個(gè)），重力加速度g=9.8 m/s2，便得出以下公式：

式（1）—（5）中：V1為垃圾在進(jìn)入第一個(gè)類靜脈瓣裝置前時(shí)刻的速度；h1為一層樓的高度；V2為垃圾被類靜脈瓣裝置削弱后的速度；V3為垃圾在通過第一個(gè)類靜脈瓣裝置后和第二個(gè)類靜脈瓣裝置后時(shí)刻的速度；V4為垃圾在進(jìn)入第二個(gè)類靜脈瓣裝置前時(shí)刻的速度；h2為第一個(gè)類靜脈瓣裝置和第二個(gè)類靜脈瓣裝置間的高度。

通過計(jì)算，得出：V2=2.25 m/s。

若擴(kuò)展至每層樓之間安裝2～4 個(gè)類靜脈瓣裝置，其每個(gè)類靜脈瓣裝置之間的間隔距離和需要削弱的速度大小，如表1 所示。

表1 類靜脈瓣裝置間間隔距離和削弱速度大小參數(shù)

假設(shè)垃圾在下落過程中所受到的支持力F是與重力方向相反，可得出以下公式：

式（6）（7）中：Δt為垃圾與類靜脈瓣裝置的接觸時(shí)間；m為垃圾的質(zhì)量；Δv為是垃圾速度的變化量。

聯(lián)立式（6）（7）可得：

垃圾在通過類靜脈瓣裝置時(shí)會(huì)與類靜脈瓣裝置產(chǎn)生接觸時(shí)間Δt，在接觸時(shí)間Δt后會(huì)使得垃圾的速度變慢，其速度的變化量Δv即為表1 中需要削弱的速度大小。在日常生活中，生活垃圾質(zhì)量通常在2～4 kg，取最大值m=4 kg 進(jìn)行計(jì)算，由式（8）計(jì)算，可以得出物體在下落過程中所受到的支持力F與垃圾和類靜脈瓣裝置接觸時(shí)間Δt的關(guān)系（以每層樓間安裝3個(gè)類靜脈瓣裝置為例），如表2 所示。

由表2數(shù)據(jù)看出，類靜脈瓣裝置的數(shù)量越多，每個(gè)類靜脈瓣裝置之間間隔的距離越短，其每個(gè)類靜脈瓣裝置削弱的速度也逐漸減少，由式（8）可得出類靜脈瓣裝置的支持力F和垃圾速度的變化量、垃圾與類靜脈瓣裝置的接觸時(shí)間相關(guān)，可通過計(jì)算，為后續(xù)類靜脈瓣裝置的選材、設(shè)計(jì)所具備的特性提供了理論數(shù)據(jù)。

表2 支持力F 與垃圾和類靜脈瓣裝置接觸時(shí)間Δt 的關(guān)系

4 結(jié)束語

靜脈瓣作為人體靜脈中的一個(gè)膜瓣結(jié)構(gòu)對(duì)人體的血液流向起著至關(guān)重要的作用，將其原理應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)上同樣可以起到防倒流的作用。將其應(yīng)用到垃圾管道中，可以降低垃圾對(duì)管道的破壞，降低維修成本；控制管道內(nèi)氣體單向流通，有效解決垃圾產(chǎn)生的刺鼻氣味和招引蒼蠅的問題，給居民們創(chuàng)造一個(gè)干凈衛(wèi)生的生活環(huán)境。與此同時(shí)，隨著垃圾管道的普遍應(yīng)用，能夠?qū)鴱脑搭^進(jìn)行分類，解決垃圾資源嚴(yán)重浪費(fèi)問題，減輕垃圾處理的負(fù)擔(dān)，大力發(fā)掘垃圾的價(jià)值，為社會(huì)和國家創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。

如何從源頭將垃圾分類一直是一個(gè)重要的問題。隨著社會(huì)進(jìn)步和科技的發(fā)展，傳統(tǒng)垃圾管道不斷發(fā)展至環(huán)保清潔的垃圾管道，通過垃圾管道來引導(dǎo)人們將垃圾進(jìn)行分類可能是該問題的答案。但是鑒于垃圾管道建設(shè)成本較高，技術(shù)不夠成熟等多方面原因，垃圾管道未能普遍應(yīng)用于人們的日常生活中，所以對(duì)垃圾管道的研究探索不能止步于此。

本文的研究仍存在許多不足之處，在類靜脈瓣裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算中只在理想狀態(tài)下計(jì)算了關(guān)鍵參數(shù)，而不同材質(zhì)的阻隔效果可能導(dǎo)致不同情況，垃圾在下落過程中受到管壁的摩擦以及空氣阻力的作用對(duì)垃圾下落的速度也存在一定的影響等等，所以材質(zhì)的應(yīng)用研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等也應(yīng)該是類靜脈瓣裝置設(shè)計(jì)的研究方向。