获第44届日内瓦国际发明展最高金奖

水龙头设计图

整体设计图

突发奇想为节水用空气洗手

说起来，“空气洗手”的创意来得还真是有些“机缘巧合”。

大三时，李启章报名参加了“大学生节能减排科技竞赛”。当年10月，正是队员们为项目选题集思广益的时候，有一天这群年轻人在食堂吃饭时，看到身边有同学在用水洗手，“用水洗手多浪费啊，为什么不用空气来洗手呢？”有人开起了脑洞。没想到，这个听上去有点儿不着调的大胆想法却得到了大家的一致响应。原来，当时这几个能源系的学生刚学完一门叫做《流体力学》的专业课程，从理论上来看，用另外一种流体代替水流来完成洗手这个想法完全有可能实现。 

其实，在此之前，团队成员们对于参赛选题已经有了一定的想法：比如，有人提出做一个水上自动巡航机器人，机器人可以通过检测河道污染物的浓度及浓度梯度，定位污染源后并自动巡航寻找污染源；也有人提出打造一款藻类回收机，通过章鱼般的触角设计，实现对湖面藻类污染物的快速收集和处理；还有人提出设计一款波浪能的海水淡化装置，为远洋船舶提供海水淡化。这些项目都有着很强的节能减排的背景，也有着很强的应用价值。 

经过对每个项目的综合评估之后，大家还是“忍痛割爱”选择了“空气洗手”。“这主要是基于创新性和生活贴合度的考虑，”李启章告诉记者，与其他项目相比，“空气洗手”的效果更加明显和直观，尤其最开始版本的空气洗手装置采用重力驱动，当使用者站上洗手装置前约22厘米高的踏板上时，踏板由于人体重力而下沉，通过滑轮组牵引活塞挤压空气获得高速气流，令水龙头喷出雾状水滴，“不需要额外的能耗，更符合比赛节能减排的精神。”另外，在队员们看来，“空气洗手”项目更贴近大家的日常生活，更有利于公众快速地理解和认知。

花费两年做了几千次实验

队员们通过研究发现，洗手过程中，仅有5%的水用于溶解手上的污渍，95%的水都用于冲走污渍。那么，能否用空气流体替代这些用于冲洗的水呢？对于队员们来说，整个项目需要解决两大核心问题：一是气从哪里来？二是气和水该怎么混合？相对应的，他们就要设计出合理的重力驱动架构以及雾化结构。只有这两个问题解决了，整个装置才能实现良好的雾化效果，从而达到清洗和节水的目的。 

首先要解决一个疑问，气水混合的方式是否真的能实现清洗呢？团队成员们设计了自己的验证方案，便一头扎进了实验室里。“除了上课、吃饭、睡觉，其余所有的时间都在做项目研发，一整年的时间都待在了实验室里。”李启章回忆说，所有的实验都得他们本人上阵，“大家都是轮流洗手”。大冬天里，受到实验场所的限制，每个人得自带热水，然而水量敌不过一次次反复的“折腾”，最后只能冷水上阵。一个多月的实验期，通过检测不同工况下不同污渍的清洗效果，团队验证了这个方向的可行性。

洗是能洗干净，但是离他们的理想状态还有不少差距。比如，清洗体验就有待完善，不是气压太大给手部带来疼痛感，就是雾化效果不佳，让人有水滴直接打在手上的感觉。这些直观显示出来的问题需要对装置进行进一步的优化，而关键就在于雾化结构的调整。 

一开始，团队针对项目所需要的特定使用场景，试图从市面上选取可行的雾化技术，不过后来发现，因为装置是在低压的工况下运行，所以对市面上的雾化结构需要进行重新设计和优化。

对于空气洗手装置而言，整个装置核心的雾化模块有三个零件，不同零件又有不同的参数。“雾化效果不好，我们就需要对这个结构进行分析，是哪个参数出了问题，还是气水混合得不够充分。”而要做这样的定位，可能意味着几百、甚至上千种组合方案的逐一测试。其中的一大困扰就是漫长的工期，一般零件的加工周期就要两个星期，这样一来，产品的优化需要大量的时间成本，“大概也就只有学生团队才有这么奢侈的资本，要不然漫长的实验过程很容易让人看不到尽头。”最终，实验团队花了近两年的时间、做了几千次实验，完成了雾化效果的优化——高速气流代替水发挥清洗过程的机械作用带走污渍，细密的水雾发挥溶解作用，两者协同完成高效清洗，实现90%的平均节水率。

为什么团队成员在雾化效果上会这么执着呢？原来，装置的清洗效果与雾化效果直接相关，水雾的细密程度、雾状的张角、水滴的粒径等直接决定了清洗的覆盖面积，从而影响到清洗效果。最终的显色实验和细菌实验也证实，有着良好雾化效果的“空气洗手”装置清洁效果明显优于普通水流洗手。

已进入市场开始试点安装

近日，“空气洗手”装置亮相富士康厂区，这已经是团队升级后的第二代产品了。与重力驱动不同的是，新版本的装置采用了电力驱动，直接通过电机将空气进行压缩。

原来，团队成员前期进行了充分的市场调研和实地采访，大家普遍反映，洗手之前先站上一个平台来辅助出水出雾，感觉比较麻烦，“从国内的市场来看，要求大家改变洗手习惯比较困难。”另外，随着技术的改进，实验团队已经实现了低压状况下良好雾化效果的呈现；也就是说，即使使用电力，整个装置也不会增加太多能耗，反而还能让公众使用起来感觉更加方便。

在团队成员看来，这项享有多项知识产权的技术未来有着广阔的应用前景。单单就节水来说，目前市场上的节水龙头一般分为感应龙头、延时龙头、充气式龙头等，其节水原理均为减少单位面积出水量，但容易导致洗手效果不佳、节水效果一般，难以在根本上解决水资源浪费的问题。“我们的设计采用了流体替代清洗的理念和方式，节水效果远远比之前的节水技术要好得多；而且经过理论计算和方案设计以及后期的实验验证，清洗的效果也比传统水压雾化有优势。”这群年轻人自信地表示。

今年6月1日，以“空气洗手”技术为支撑的北京沐羽科技公司成立。“空气洗手”产品目前已在北京市正式开始了试点安装，大学生创业者们希望，未来能将这一技术拓展于淋浴、洗车、工业清洗等多个领域，实现节水领域的全面突破。

来源：北京晚报  记者 牛伟坤 文并图