基于青年運(yùn)動(dòng)人群電動(dòng)口罩通風(fēng)問題的解決

鐘逸霖 李夢(mèng)瑩

1.深圳大學(xué) 廣東 深圳 518000；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣東 廣州 510000

由于新冠疫情的影響，口罩成為大眾生活的必備品。傳統(tǒng)的口罩由于透氣性不佳、無(wú)法多次利用等缺陷，使電動(dòng)口罩在當(dāng)今市面上變得更加普及和功能化。

本次課題以課堂結(jié)合企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目的方式進(jìn)行。通過對(duì)企業(yè)“紫外線消毒口罩”項(xiàng)目的了解，在原有初創(chuàng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，以解決其面臨的痛點(diǎn)問題。作者意識(shí)到在佩戴此口罩關(guān)于舒適性的衡量標(biāo)準(zhǔn)中迫切需要被解決的一個(gè)痛點(diǎn)就是佩戴后產(chǎn)生的悶憋問題。通過真人測(cè)試與數(shù)據(jù)推導(dǎo)，帶有送風(fēng)的電動(dòng)口罩佩戴時(shí)的舒適性被認(rèn)為是最高的。因此，為何需要在電動(dòng)口罩中放置送氣風(fēng)扇以及運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)原理提出未來(lái)對(duì)電動(dòng)口罩通風(fēng)問題的解決的新的設(shè)想是本文的重點(diǎn)。

一、研究思路

(一)企業(yè)原有產(chǎn)品如圖1所示，經(jīng)分析需要改良以下幾點(diǎn)問題：

1.只靠濾片進(jìn)氣，密閉性太強(qiáng)使呼出的口氣被自身再次吸入，易產(chǎn)生悶憋效果；

2.外形的美觀度、與臉部的貼合度、佩戴后的穩(wěn)定性不夠；

3.濾片的更換與口罩的拆卸問題；

圖1 企業(yè)的紫外線消毒口罩初創(chuàng)產(chǎn)品

(二)針對(duì)以上問題，從優(yōu)化呼吸悶憋為主，改良其它問題為輔進(jìn)行解決。在疫情期間不便于摘口罩的情況下，讓堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)的青年人群擁有舒適、安全的電動(dòng)口罩：

1.研究市面現(xiàn)有電動(dòng)口罩透氣裝置，增加內(nèi)置透氣裝置；

2.增大口罩內(nèi)腔體積的同時(shí)使用更加輕便的材料；

3.系帶設(shè)計(jì)為穩(wěn)固、可調(diào)節(jié)的佩戴方式；

4.模塊化可拆卸式設(shè)計(jì)。

二、研究方法

運(yùn)用文獻(xiàn)調(diào)查法收集我國(guó)青年人群的呼吸量數(shù)據(jù)，以及佩戴普通口罩后的阻氣數(shù)據(jù)；運(yùn)用訪談?wù){(diào)查法與觀察調(diào)查法對(duì)青年運(yùn)動(dòng)人群進(jìn)行訪談與調(diào)查，并對(duì)該人群在佩戴不同類型的口罩、在不同動(dòng)狀態(tài)下的呼吸順暢度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

三、研究?jī)?nèi)容

(一)傳統(tǒng)口罩引起憋氣的原因

傳統(tǒng)的口罩叫自吸式口罩。自吸式口罩引起不適的原因是缺氧，而缺氧主要是由于口罩的結(jié)構(gòu)和材料造成的。佩戴口罩后，在面部與口罩之間形成了死腔。由于死腔的存在，呼出的廢氣無(wú)法全部排到口罩外，吸氣時(shí)這部分廢氣又被吸入到肺部，造成吸入的氧氣減少，從而引起呼吸不暢、憋氣。當(dāng)然，材料造成呼吸阻力的增大也是主要原因之一，呼出的氣體在死腔中造成口罩內(nèi)部悶熱潮濕，凝結(jié)的水無(wú)處排放。

(二)電動(dòng)口罩要加上送氣風(fēng)扇的原因

電動(dòng)送風(fēng)口罩的優(yōu)勢(shì)是解決了傳統(tǒng)口罩呼吸阻力過大的問題，尤其是運(yùn)動(dòng)人群佩戴普通外科口罩時(shí)，由于口罩結(jié)構(gòu)所形成的死腔和濾材的阻力，容易憋氣。電動(dòng)口罩采用送風(fēng)或排風(fēng)方式解決了此問題。電動(dòng)口罩從排送風(fēng)方式上區(qū)分為兩大類：一類是正壓送風(fēng)電動(dòng)口罩，在市場(chǎng)上較為常見；一類是呼氣閥上安裝負(fù)壓排風(fēng)電機(jī)的電動(dòng)口罩。

根據(jù)環(huán)境與健康雜志2014年11月第31卷第11期的此篇期刊《我國(guó)成人呼吸量研究》[1]的數(shù)據(jù)顯示，18-44歲的青年人休息時(shí)的呼吸量為5.8L/min，坐立時(shí)的呼吸量為6.9L/min，輕微運(yùn)動(dòng)的呼吸量為8.6L/min，中度運(yùn)動(dòng)的呼吸量為23L/min，重度運(yùn)動(dòng)的呼吸量為34.5L/min，極重度的呼吸量為57.6L/min。

正常情況下，青年人在輕體力勞動(dòng)強(qiáng)度下的平均肺通氣量約為15-20L/min，中等體力勞動(dòng)強(qiáng)度下的平均肺通氣量約為30L/min[2]，但呼、吸速度并不均勻，吸氣瞬時(shí)最高流量為平均肺通氣量的π倍。由《國(guó)內(nèi)外常用防護(hù)口罩過濾效率和呼吸阻力對(duì)比》中可得知，醫(yī)用口罩樣本在通氣量為85L/min時(shí)的吸氣阻力和呼氣阻力指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分別為80.41Pa(其中標(biāo)準(zhǔn)差為±1.567)和52.76Pa(其中標(biāo)準(zhǔn)差為±2.051)；相同通氣量測(cè)試下，KN95口罩樣本的吸氣阻力和呼氣阻力指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分別為87.94Pa(其中標(biāo)準(zhǔn)差為±2.472)和70.87Pa(其中標(biāo)準(zhǔn)差為±2.910)。

空氣阻力的計(jì)算公式：F=1/2CρSV2，速度與流量的計(jì)算公式：V=Q/S。其中：F為空氣阻力，C為空氣阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，S為口罩迎風(fēng)面積，V為口罩與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；Q為氣流大小。通過兩個(gè)公式可得出F=1/2CρS(Q/S)2，再推導(dǎo)出F=1/2Cρ(Q2/S)，可得F與C是成正比的關(guān)系，也就是空氣阻力系數(shù)越大，人要克服的空氣阻力越大。所以，已知在通氣量為85L/min的情況下，醫(yī)用口罩的吸氣阻力為80.41Pa。由于醫(yī)用口罩的空氣阻力系數(shù)C比電動(dòng)口罩的空氣阻力系數(shù)C要小，因此在相同通氣量為85L/min、口罩迎風(fēng)面積相同面積的情況下，人戴電動(dòng)口罩所需要克服的空氣阻力比醫(yī)用口罩的80.41Pa要大。正因?yàn)榇麟妱?dòng)口罩的呼吸阻力更大，所以需要為電動(dòng)口罩增加一個(gè)內(nèi)置送風(fēng)裝置，以減小人呼吸的空氣阻力。

(三)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

人群選擇：18-44歲有運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的人；測(cè)試對(duì)象：(1)普通外科口罩(2)帶呼吸閥的口罩(3)電動(dòng)送風(fēng)口罩；測(cè)試項(xiàng)目：平靜狀態(tài)/步行/小跑/快跑；測(cè)試目的：呼吸順暢度；測(cè)試地點(diǎn)：公園。測(cè)試內(nèi)容：在公園里選擇20位在運(yùn)動(dòng)的18-44歲年齡段的測(cè)試者。讓測(cè)試對(duì)象佩戴三種不同類型的口罩，分別進(jìn)行平靜狀態(tài)、步行、小跑、快跑這四種項(xiàng)目。讓測(cè)試人群分別佩戴這三種口罩在四種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，進(jìn)行舒適度、呼吸順暢度的評(píng)分。最后進(jìn)行總結(jié)，得出評(píng)分最高的口罩，即為在不同狀態(tài)下都保持呼吸舒適度最佳的口罩，如表3所示。

表3 三種類型口罩呼吸順暢度評(píng)分表(每一項(xiàng)滿分為10)

結(jié)論：通過評(píng)分表得知，得分最高的為電動(dòng)送風(fēng)口罩。測(cè)試者表示，電動(dòng)送風(fēng)口罩比前兩者高分主要原因是通風(fēng)換氣感受優(yōu)于普通外科口罩與帶呼吸閥的口罩，并且電動(dòng)送風(fēng)口罩可排吹水汽、可防止眼鏡產(chǎn)生汽霧、可重復(fù)使用。

四、方案設(shè)計(jì)

通過上述實(shí)驗(yàn)，作者認(rèn)為在紫外線消毒口罩中加入電動(dòng)送風(fēng)風(fēng)扇是可行的。根據(jù)市面上已有的電動(dòng)口罩的規(guī)范要求，列出設(shè)計(jì)思路：

(一)人群定位

有運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的18-44歲的青年人群。

(二)設(shè)計(jì)流程

利用缺點(diǎn)列舉法列舉出企業(yè)初創(chuàng)產(chǎn)品的缺點(diǎn)進(jìn)行分析；利用希望列舉法提出新設(shè)想。

(三)基于青年運(yùn)動(dòng)人群電動(dòng)通風(fēng)口罩的設(shè)計(jì)因素

從產(chǎn)品的功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料。其中，對(duì)于功能的要求有透氣性、舒適性；形態(tài)要簡(jiǎn)潔美觀；結(jié)構(gòu)為模塊化可拆卸結(jié)構(gòu)；利用輕巧、穩(wěn)固的材料。

(四)方案提出

設(shè)計(jì)出的方案的渲染圖、爆炸圖、口罩拆卸步驟圖，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 口罩設(shè)計(jì)渲染效果圖

圖5 口罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖6 口罩拆卸步驟圖

此口罩設(shè)計(jì)為四層結(jié)構(gòu)。第一層為透氣外殼；第二層為紫外線燈消毒模塊與濾片更換層；第三層為送氣風(fēng)扇；最后一層為硅膠層。系帶的兩側(cè)為魔術(shù)貼，可實(shí)現(xiàn)松緊度調(diào)節(jié)。使用口罩時(shí)，空氣從第一層透氣外殼中進(jìn)氣；進(jìn)到第二層紫外消殺模塊后，紫外線燈將會(huì)對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行消毒和殺菌；消殺完的空氣進(jìn)入到第三層，送氣風(fēng)扇以微正壓送風(fēng)的形式，將過濾后的空氣送到人口鼻處，使佩戴者完成舒適順暢的呼吸。

五、對(duì)電動(dòng)送風(fēng)口罩未來(lái)發(fā)展的設(shè)想

電動(dòng)送風(fēng)口罩能降低人的吸氣阻力，使人感到舒適。但是由于青年運(yùn)動(dòng)人群運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸狀態(tài)多變，并且這種吸氣進(jìn)氣量是非線性的。如今的電動(dòng)送風(fēng)口罩并沒有根據(jù)人的呼吸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)力的功能。所以作者設(shè)想電動(dòng)送風(fēng)口罩的未來(lái)發(fā)展方向是能實(shí)時(shí)根據(jù)用戶的呼吸狀態(tài)、呼吸量來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。參考流量傳感器的原理，加入到電動(dòng)送風(fēng)口罩的設(shè)計(jì)中，為解決青年運(yùn)動(dòng)人群因運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變而使呼吸量變化幅度大，導(dǎo)致送風(fēng)風(fēng)扇無(wú)法提供足夠的風(fēng)力給予了解決途徑。

空氣流量傳感器是測(cè)定吸入的空氣流量的傳感器[3]，它將吸入和呼出的氣體流量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將信號(hào)送至處理電路，完成對(duì)吸入和呼出的氣量與流速的檢測(cè)和顯示。流量傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性體檢測(cè)電路組成。其工作原理是彈性體在氣流作用下使其表面的電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形，變形后電阻片的阻值發(fā)生變化，相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成將氣流變?yōu)殡娦盘?hào)的過程。圖7所示是在口罩中加入流量傳感器后口罩的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)想圖。其中主要部件為流量傳感器、渦輪風(fēng)扇、單片機(jī)。

圖7 在口罩中加入流量傳感器后的結(jié)構(gòu)構(gòu)想圖

加入流量傳感器的智能電動(dòng)送風(fēng)口罩的主要功能如下：(1)通過監(jiān)測(cè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，保證呼吸順暢；(2)通過芯片進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)分析處理得出呼吸頻率、波動(dòng)等生理數(shù)據(jù)。

根據(jù)空氣流量傳感器的工作原理，運(yùn)用到電動(dòng)送風(fēng)口罩設(shè)計(jì)上，能夠滿足青年運(yùn)動(dòng)人群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，呼吸量呈非線性變化的特點(diǎn)。人呼出的氣體經(jīng)過傳感器后，傳感器接收到信號(hào)，完成將氣流變換為電信號(hào)的過程；再根據(jù)芯片的分析，將需要風(fēng)扇送出的氣流量信號(hào)傳送到風(fēng)扇處；最后，風(fēng)扇根據(jù)傳感器分析的所需要風(fēng)量大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

六、研究結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)口罩通風(fēng)的必要性以及解決方式作出探討，得出了以下研究結(jié)論：(1)電動(dòng)口罩的出現(xiàn)是為了更好的解決傳統(tǒng)口罩的悶憋問題；(2)分析論證電動(dòng)口罩中內(nèi)置送氣風(fēng)扇的必要性；(3)未來(lái)電動(dòng)口罩的發(fā)展方向是更符合人的呼吸需求、更加智能化的。

在病毒有可能長(zhǎng)期存在的情況下，或許在將來(lái)，口罩會(huì)發(fā)展成人們的日常必備品。如果需要長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩，同時(shí)對(duì)舒適度要求比較高，或體力活動(dòng)量大，如何對(duì)這些需求做出改進(jìn)在此便顯得尤為重要。作為設(shè)計(jì)者，我們需要利用更人性化的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合科技的發(fā)展，來(lái)設(shè)計(jì)出更符合為當(dāng)下所用的物件，并且對(duì)未來(lái)發(fā)展方向提出大膽的構(gòu)想。