屈纯 杨威 余维维 姚俊

摘  要 安全气囊（Airbag）技术是汽车上普遍使用的一种防护技术，这一技术后来也被使用在了多个方面，例如骑行安全气囊、马术安全气囊等，他们都是用来保护人体的安全。近年来，这一技术也被应用在了人体跌倒防护上，跌倒防护安全气囊是一种人体穿戴的气囊产品，人体佩戴安全气囊后若意外跌倒，气囊可迅速充气弹出形成缓冲，从而避免人体重要部位与地面产生硬接触而损伤。本文总结了跌倒防护安全气囊技术和产品在国内外的发展情况，对其涉及的关键技术进行对比，并探讨了未来研究发展趋势。

关键词：跌倒  防护  穿戴式  安全气囊

中图分类号：TH789                          文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0074-05

Abstract： Airbag technology is a common protection technology used in cars. This technology has been used in many ways， such as motorcycle airbag， equestrian airbag. They are all used to protect the human body. In recent years， this technology has also been applied to fall protection. Fall protection airbag is a kind of wearable airbag. If the user falls down accidentally ， the airbag can be inflated quickly to form a buffer， so as to avoid hard contact and damage between the body and the ground. This paper summarizes the development of fall protection airbag technology and products at home and abroad， compares its key technologies， and discusses the future research and development trend.

Key Words： Fall; Protect; Wearable; Airbag

跌倒防護安全气囊是安全气囊的一个细分领域，该技术源于汽车安全气囊。跌倒防护安全气囊系统一般主要由跌倒预测模块、充气模块和气囊等构成，当跌倒预测模块检测到人体即将跌倒时，立即启动充气模块对气囊充气，使气囊在人体落地前打开形成对人体的保护，避免或减轻跌倒带给人体的伤害。该技术是近年来发展起来的，且发展速度较快，也越来越受到人们特别是老年人等易跌倒人群的重视。而高安全性快速充气技术是跌倒防护安全气囊的关键技术之一，来实现快速给气囊充气，确保气囊在人体落地前打开且不对用户带来危险和伤害。充气技术的实现虽有多种途径，但各有利弊，不仅需要考虑充气速度，还应将充气模块的体积、重量、穿戴舒适性，气体温度、气体环保性、成本等因素综合进来，以满足消费者的高要求。

1  人体穿戴的安全气囊发展概况

人体穿戴的安全气囊的产品已经被应用在了很多方面，如摩托车服装生产商Dainese将安全气囊技术引入摩托车服装上，通过气体发生器让原本轻薄暗藏在服装内的气囊能够在突发状况时变成气囊服装，增加用户安全，随便摔也不会痛。瑞典产品设计师Anna Haupt和Terese Alstin，设计了一款自行车手使用的衣领式气囊，在骑车发生意外时，气囊充气形成一个头盔来保护人体的安全。瑞士雪崩安全专家发明了一款雪崩安全气囊，它被设计成背包的形状，一旦遭遇雪崩等紧急情况，使用者只要轻轻一拉启动绳索，气囊就会自动充气并携带其最终“漂浮”到雪面上。

而用于跌倒防护的安全气囊与其他的穿戴式气囊相比，有着共用的技术也有其自身的特点。他们共同的构成都是充气装置和气囊，但跌倒防护安全气囊的特殊之处在于该产品需要对人体的跌倒进行准确的预测和识别。国外很早就有这方面的研究，日本的Prop公司对可穿气囊的研究，且最初报道见于2009年，它的气袋重1.1kg，像旅行者的腰包，当探测器发现穿戴者跌倒时，可以迅速打开气囊，撑起整个躯干防止受伤。而法国的Helite公司研制出了一款用于髋部防护的腰带气囊，该产品曾在2018年1月的CES展会上展出，并已在欧洲市场销售。其他有类似腰带气囊产品研究的国家还有美国ActiveProtective公司、荷兰WOLK公司和以色列的Hip-Hope气囊公司等。

我国对于跌倒防护的安全气囊的研究，虽然起步较晚，但发展速度较快。目前多在高校和研究所进行，不过它们的研究多注重跌倒识别和预警，对于气囊设计和充气源并未涉及。对于跌倒防护安全气囊全系统进行研究的国内单位有深圳先进技术研究院、苏州衣带保智能技术有限公司和广州市信安智囊科技有限公司，后两者公司在2019年6月已有产品在网络上展示和销售，他们的产品均是腰带的形式，主要保护的人体部位是髋关节;另外用于头部防护的气囊也在研制和测试中。

湖北航天化学技术研究所也研制出了跌倒防护安全气囊，主要用于老年人的髋关节防护;系统主要由跌倒识别模块、充气模块和气囊等3部分构成[12]。气囊囊体采用TPU材料，具备高张力、高拉力、耐老化和耐受性好的特点，整个气囊经折叠后布置在马甲下摆处，穿戴轻薄舒适;充气模块采用压缩气瓶和刺针设计，执行响应时间快，气囊可在极快时间内完全展开并形成一定气压，提供缓冲。

2  高安全性快速充气技术的研究与方案对比

高安全性快速充气气源是跌倒防护安全气囊的核心模块之一，也是该系统的关键技术，它负责接收信号后启动产气，并快速地将气体充入事先折叠好的气囊中，快速打开气囊包裹住人体，形成缓冲。除此之外，高安全性快速充气气源对气囊的充气时间越短，预留给跌倒识别和预警的时间就越长，相对来讲，跌倒预警的准确率会越高，误报率也会显著下降。

目前广泛使用的气源有3种类型：纯储气瓶式气体发生器、烟火式气体发生器和混合式气体发生器。比较三类气体发生器优缺点，具体如表1所示。纯储气瓶式气体发生器最突出的缺点是它一般由机械方式开启，机械装置体积大且重，穿戴舒适性差、响应速度慢;而烟火式气体发生器温度高，存在潜在的风险和隐患，需要包裹、隔热处理后方可使用;混合式气体发生器从目前技术来讲是较优的选择，但由于生产流程和成本等因素，较难推广。

在对上述三种气体发生器技术及其方案对比后，各国的科学家将多种技术交叉使用和融合，以最大程度避免缺点突出优点。法国Helite公司的气囊产品采用火药力推动刺针的方式打开压缩气瓶，对气囊的充气速度极快，时间仅为80ms，不但避免了纯储气瓶式气体发生器机械触发困难的问题，还实现了安全快速充气，但其触发时伴随有较大的声音。日本科学家则是采用压缩气瓶，开启采用火药熔穿的方式，这对气瓶封口片具有特殊的要求。

由上述分析可知，压缩气瓶已经成为高安全性快速充气气源的普遍选择，它具有气体温度低、气体成分简单、环保等优点;但在气瓶的开启方式上，机械式开启普遍被抛弃。火药力和刺针结合的方式成为一种较优的选择，它只需要一个电信号脉冲即可触发，刺针推力来自电火工品激发后在密闭容腔内形成高压高温气体，刺针在刺破气瓶封片后再在气瓶内气体的反向推力下回到原位，将瓶内气体释放出来。在这一过程中，电火工品的激发能量要有合适的选择，若能量不够无法推动刺针刺破气瓶，能量过大则可能带来安全隐患。

3  未来研究和发展趋势

目前已投放市场的跌倒防护安全气囊绝大部分是腰带，主要用于人体髋关节的防护。未来跌倒防护安全气囊的防护范围将不仅仅局限于髋关节，可以拓展到更多的部位，以气囊衣的形态，在人体头部、颈部、肩背部等关键部位均设置气囊，可实现对人体的全方位防护，这是近年来新产品研究发展的一个重点方向。

另外，随着我国医疗大数据和健康产业的发展，未来跌倒防护安全气囊产品上可以集成更多的穿戴式健康数据监测功能，例如，血压、心率的实时监控等，实现对人体身体机能与健康状况的随时监测和管理，并对他们未来的健康状态进行预测，对人们日常生活习惯、饮食与运动提出指导和建议。

在高安全性快速充气这一关键技术的研究方面，目前的各种气体发生器技术和交叉使用的技术均存在一定缺点，在充气速度、温度适应性、环保型、穿戴舒适性、触发声音等方面还未达到完美的结合。未来随着材料、电子等技术的发展，适合人体穿戴的、综合性能优异的气体发生器定会较快发展，该技术也会应用到更多的领域。

4  结语

由于国外极限运动的发展快，人体穿戴的安全气囊在赛车、登山、马术等运动防护领域已经有了较大范围的应用，跌倒防护安全气囊作为人体穿戴式的安全气囊的一种，得到的关注也越来越多，社会需求也越来越明显，这其中的一個重要原因就是全球人口老龄化的加剧，全球每年有500万例因跌倒造成髋部骨折的案例，对老年人的健康造成了巨大威胁。全社会开始重视老年人跌倒的防护，由于气囊比普通缓冲垫的防护效果更好，因此跌倒防护安全气囊产品逐渐在全世界流行开来，法国的Helite已经走在了世界前列，国内的产品还刚刚起步，在高安全性快速充气等关键技术的研究方面还需提升。中国的老龄化也正在加剧，科研工作者要以此为契机，攻克关键技术，加速大数据、人工智能的应用，打造出更加先进、可靠的产品。

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