在傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)尚多功能口罩的研究設(shè)計(jì)

劉奕欣 王萬(wàn)薛 肖克非 孫浩杰 任鳳

摘要：[研究意義]隨著疫情在全球的逐步蔓延，口罩受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。但是簡(jiǎn)單的防護(hù)功能顯然已經(jīng)滿(mǎn)足不了人們的額外需求，我們的設(shè)計(jì)在改變口罩外形同時(shí)，還加入了通過(guò)分析人們呼吸有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)而檢測(cè)人們的肺功能和呼吸系統(tǒng)健康的功能。[研究方法]通過(guò)文獻(xiàn)查閱和相關(guān)科技查閱明確氣體檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)數(shù)名人員臉部尺寸進(jìn)行3D掃描儀測(cè)量得到口罩結(jié)構(gòu)參數(shù)。[研究結(jié)果]口罩的功能主要包括日常使用和科學(xué)檢測(cè)兩個(gè)方面。在該口罩中使用的是柔性氣體傳感器，該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可穿戴并能保持良好的性能，能夠檢測(cè)人體肺功能異常和呼吸系統(tǒng)疾病。在市場(chǎng)調(diào)研中人們對(duì)口罩的美觀(guān)性，透氣性，耐用性都有較大的需求，在口罩制備中我們都予以重視，并加以改造和提升。

關(guān)鍵詞：口罩，智慧型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多功能，潮流外形。

1.背景

在疫情全球化的大背景下，口罩也被推上了防疫的風(fēng)口浪尖。無(wú)論何時(shí)何地，面對(duì)通過(guò)飛沫傳播，呼吸道傳播的新冠肺炎病毒口罩都是第一道防線(xiàn)，所以在疫情爆發(fā)初期口罩迅速成為了全球最為緊俏的物資，價(jià)格也水漲船高。19大以來(lái)國(guó)家就強(qiáng)調(diào)全面推進(jìn)醫(yī)療衛(wèi)生改革，不僅是為了民生福祉，更是為了國(guó)家的長(zhǎng)治久安。而2020年新館疫情的爆發(fā)更是讓所有人從國(guó)家的層次上看到了醫(yī)療衛(wèi)生改革的緊迫性和必要性。國(guó)家也在此領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，提升社會(huì)應(yīng)對(duì)突發(fā)公共衛(wèi)生事件的能力。遙想當(dāng)年，也是SARS病毒的爆發(fā)讓國(guó)家的醫(yī)療衛(wèi)生有了重大改觀(guān)。面對(duì)新冠疫情的演變，放眼世界唯有中國(guó)仍有完整的工業(yè)體系生產(chǎn)口罩滿(mǎn)足人民需求，甚至還有富裕生產(chǎn)力用以供應(yīng)全球，為全球人民的福祉出一份力。

科技在飛速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的追求也水漲船高，普通的醫(yī)用防護(hù)口罩顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)于口罩的需求，無(wú)論是在外形外觀(guān)上，還是科技功能上。而我國(guó)的眾多頂尖人才對(duì)此也早有發(fā)現(xiàn)，并針對(duì)這種現(xiàn)象提出了他們的解決方案。梁鑫花在論文中提出研究3D型防護(hù)口罩，邱智提出研究可拆卸式防護(hù)口罩，蔣霖提到了多功能口罩……但是他們都沒(méi)有針對(duì)年輕人更加在乎的口罩外觀(guān)，并針對(duì)性的做出個(gè)性化的研究。蔣霖的文章中提到的多功能口罩偏向于更加貼近大眾的生活，如佩戴期間補(bǔ)充水分等。阿格瓦教授則在氣味與特定疾病的研究方面獨(dú)樹(shù)一幟，像氣味與低血糖，前列腺癌和乳腺癌的關(guān)系都有了較為清晰的研究方向。關(guān)于口罩的原材料選擇，Yunetal認(rèn)為將石墨烯組裝到紗線(xiàn)上能夠使口罩傳感器具有更強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性和二氧化氮?dú)怏w響應(yīng)能力。Kerdcharoen則認(rèn)為基于聚偏異丁酯/甲基混合酯的多壁碳納米管線(xiàn)狀氣體傳感器可以有效地檢測(cè)和分析氮?dú)狻３酥膺€有眾多各式各樣的可穿戴傳感設(shè)備，但是無(wú)一例外都有一個(gè)致命的缺陷就是在多種氣體并存的情況下無(wú)法有效的區(qū)分出目標(biāo)氣體。因此針對(duì)這一特定問(wèn)題和人們迫切而廣泛的需求，我們提出了潮流智慧口罩這一研究課題，把單一的純色醫(yī)用防護(hù)口罩改進(jìn)為更加符合年輕人審美需求的潮流口罩，在此基礎(chǔ)之上更是將口罩智能化，模塊化。對(duì)呼吸產(chǎn)生的物理化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)而保證呼吸系統(tǒng)和肺功能的正常。

2.潮流設(shè)計(jì)

2.1.面部尺寸測(cè)量

面部數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析是口罩制作的必要步驟。由點(diǎn)及線(xiàn)，將面部測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行連線(xiàn)。如圖1所示，一共測(cè)量L1、L2、L3三條直線(xiàn)和S1、S2、S3三條曲線(xiàn)，S1為鼻梁凸點(diǎn)和顴骨的連線(xiàn)，即口罩的上邊緣線(xiàn)，S2為鼻尖點(diǎn)和鼻翼側(cè)邊點(diǎn)的弧形連線(xiàn)，S3為下頜中心點(diǎn)與下頜角上端的連線(xiàn)，L1為口罩鼻部所需長(zhǎng)度即鼻高尺寸，L2為口罩的側(cè)邊緣線(xiàn)，L3用來(lái)確定口罩主體的長(zhǎng)度。

2.2.口罩制備工藝

運(yùn)用激光雷達(dá)掃描儀技術(shù)，借助ipadpro等設(shè)備和canvas等軟件對(duì)人臉進(jìn)行多次激光掃描，將數(shù)據(jù)整合后獲得人臉的基本幾何數(shù)據(jù)。然后運(yùn)用studio等軟件對(duì)人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化以及曲面重構(gòu)，獲得基本的臉模數(shù)據(jù)。再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks軟件中對(duì)口罩的進(jìn)行更加合理的外形設(shè)計(jì)，使口罩能夠最大程度的貼合臉型再用切片軟件將模型設(shè)計(jì)好，最后3d打印獲得基本雛形。

在多次嘗試后我們最終決定使用“onekeytoonelock”，將一種傳感器對(duì)應(yīng)一種目標(biāo)氣體來(lái)制備高性能可穿戴氣體傳感器，并將傳感器模塊化，使之方便攜帶和組裝，這樣既能有效區(qū)分目標(biāo)氣體又能有效便攜滿(mǎn)足人們的檢測(cè)需求。除此之外我們也發(fā)現(xiàn)了三種基于導(dǎo)電纖維的氣體傳感器可以用于檢測(cè)不同的有毒氣體：尼龍繩表面包裹單臂碳納米管（SWCNT）用于檢測(cè)甲醇，多臂碳納米管用于檢測(cè)氨，單臂碳納米管用于檢測(cè)乙醇。運(yùn)用這三種材料的傳感器具有較高的靈敏度和可逆性，是制備口罩傳感器的絕佳選擇。除此之外，這三種材料在大角度彎曲折疊后靈敏度并沒(méi)有顯著下降，經(jīng)多次退化試驗(yàn)后仍能保持良好的性能并正常發(fā)揮作用，因此該材料可以用于制作柔性可穿戴設(shè)備。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的多功能傳感器中，每種傳感器都對(duì)應(yīng)一種不同顏色的指示燈，如上文所說(shuō)的三種材料制成的三種不同的氣體傳感器：基于多臂碳納米管的柔性氣體傳感器對(duì)應(yīng)紅色，基于單臂碳納米管的柔性氣體傳感器對(duì)應(yīng)綠色，基于單臂碳納米管的柔性氣體傳感器對(duì)應(yīng)藍(lán)色，當(dāng)三種傳感器在密封環(huán)境內(nèi)（口罩內(nèi)）都沒(méi)有遇到目標(biāo)氣體時(shí)，傳感器的電阻就不會(huì)發(fā)生改變，因而指示燈不亮。

在密閉環(huán)境中注入目標(biāo)氣體會(huì)引起某些氣體傳感器電阻的增加，對(duì)應(yīng)指示燈亮起，當(dāng)口罩暴露于氨氣內(nèi)時(shí)三種傳感器的電阻都將增加，會(huì)引起所有的指示燈都點(diǎn)亮，除去氨氣以后電阻回復(fù)，指示燈全部關(guān)閉。其余兩種氣體原理同上，暴露與甲醛會(huì)使綠色和藍(lán)色指示燈亮起，暴露于乙醇中會(huì)使藍(lán)色指示燈打開(kāi)。

3.市場(chǎng)調(diào)研

當(dāng)前市場(chǎng)上多見(jiàn)的口罩為醫(yī)用外科口罩和pm2.5口罩，尤以醫(yī)用外科口罩因其價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛而深入人心，廣受大眾的喜愛(ài)，也正因如此在疫情初期被一掃而空。雖然兩種口罩都能在面對(duì)新冠疫情或者霧霾天氣時(shí)起到一定的作用，但是仍然會(huì)存在一些不可避免的問(wèn)題：

（1）口罩的壽命

普通的醫(yī)用外科口罩在長(zhǎng)期暴露于外界空氣中以后，特別是在多次重復(fù)佩戴以后無(wú)論是內(nèi)面還是外面都已經(jīng)布滿(mǎn)了細(xì)菌和可能存在的病毒，而不再具有防護(hù)功能，但大多數(shù)人并不會(huì)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，特別是老一輩人通常會(huì)因?yàn)楣?jié)約而將一個(gè)口罩用到破損再進(jìn)行更換，而這往往會(huì)造成巨大的安全隱患。

（2）因佩戴口罩造成的不適感或生理缺陷無(wú)法佩戴口罩

口罩兩側(cè)的耳帶和口罩本身的材質(zhì)往往決定了口罩整體的舒適程度，市面上常見(jiàn)的醫(yī)用外科口罩耳帶細(xì)長(zhǎng)而富有彈性，往往會(huì)給耳緣留下深深的勒痕，特別是對(duì)于佩戴眼鏡的人群來(lái)說(shuō)，更有可能會(huì)掛到眼鏡上，造成更大的損傷。對(duì)于天生或后天造成耳朵殘疾的人來(lái)說(shuō)，醫(yī)用外科口罩也并不是一個(gè)完美地選擇，但往往他們別無(wú)選擇。

（3）佩戴引起的呼吸不適

醫(yī)用外科口罩本身通常使用三層布料結(jié)構(gòu)，使得口罩本身厚重，對(duì)于非醫(yī)護(hù)人員往往會(huì)因?yàn)榕宕鲿r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起呼吸困難。

（4）佩戴口罩引起的霧水造成安全隱患

使用眼鏡的人群在天氣寒冷時(shí)佩戴口罩往往會(huì)在眼睛上起霧，雖然一個(gè)阻氣板就能解決這個(gè)問(wèn)題，但是廉價(jià)的醫(yī)用外科口罩顯然不會(huì)貼心的裝上這一裝置，而考慮到我國(guó)的近視人數(shù)正在逐年激增，我們認(rèn)為一個(gè)能夠防止起霧的防護(hù)口罩對(duì)于普通人群極為重要和必要。

（5）外觀(guān)需求

口罩外觀(guān)的單一性會(huì)使非醫(yī)護(hù)人員的普通民眾心理上產(chǎn)生抵觸情緒，美觀(guān)的口罩也是人們?cè)谌粘Ｉ钪兴枰?，尤其是?duì)于追求美觀(guān)的青年人和追求刺激和標(biāo)新立異的青少年來(lái)說(shuō)。我們研制的多功能口罩可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，大大提高口罩的便捷性、舒適性和美觀(guān)度。

經(jīng)前期發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷以調(diào)查多功能口罩的市場(chǎng)前景來(lái)看，當(dāng)下人們對(duì)于口罩的使用要求也是與時(shí)俱進(jìn)。本次問(wèn)卷共106人參與作答，樣本來(lái)自在校大學(xué)生和社會(huì)民眾兩個(gè)主要群體，所得數(shù)據(jù)具有真實(shí)性和代表性。

首先，對(duì)于當(dāng)下疫情仍在持續(xù)的情況，85%的受訪(fǎng)者認(rèn)為在未來(lái)有可能疫情常態(tài)化的大背景下，口罩將會(huì)成為生活必需品。而對(duì)于口罩的使用情況，約55%的受訪(fǎng)者表示只會(huì)在疫情要求下才會(huì)佩戴口罩，45%的人們則會(huì)因?yàn)檫^(guò)敏、鼻炎等特殊情況而把口罩作為日常用品。與此同時(shí)，半數(shù)人希望未來(lái)口罩會(huì)成為日用品，約三成的受訪(fǎng)者則表示應(yīng)該視疫情的控制情況而定。其次，人們希望對(duì)于當(dāng)下市場(chǎng)流行的口罩的改善方面也是大同小異，其中約八成的人們希望口罩可以不產(chǎn)生或者少產(chǎn)生水汽，即加強(qiáng)口罩的透氣性;六成希望單只口罩可佩戴次數(shù)可以增加，即延長(zhǎng)口罩使用壽命;45%的人們則對(duì)口罩的外觀(guān)提出了更高的要求，希望可以更加美觀(guān)。

除此之外，人們對(duì)于口罩的佩戴方式也有其他期望，即希望變掛耳式為貼合式，以降低耳朵的不適感或者迎合耳朵帶傷以及有缺陷的特殊人群的消費(fèi)需求。具體到對(duì)于多功能口罩的實(shí)際需求，約60%的受訪(fǎng)者還是認(rèn)為其單只使用壽命不宜過(guò)長(zhǎng)，保持在10日左右為宜，即比當(dāng)下市場(chǎng)上的口罩壽命延長(zhǎng)，但考慮到實(shí)際制作材料，不宜超過(guò)15日。而對(duì)于民眾更為關(guān)心的價(jià)格問(wèn)題，半數(shù)受訪(fǎng)者可接受的范圍為單只5元以下，約四成的人們認(rèn)為單只5至20元也是一個(gè)合理價(jià)格區(qū)間。只有約一成的人們可以接受單只均價(jià)在100元左右的多功能口罩。此外，84%的受訪(fǎng)者表示希望在自己的生活半徑內(nèi)可以有一家口罩的專(zhuān)賣(mài)店，也體現(xiàn)了當(dāng)下民眾對(duì)于口罩的需求以及未來(lái)口罩日常化的可能性。

4.結(jié)語(yǔ)

有權(quán)威調(diào)查顯示，在這幾輪新冠疫情以后，我們預(yù)測(cè)大眾的健康管理意識(shí)和醫(yī)療衛(wèi)生意識(shí)都將會(huì)有顯著的提高，醫(yī)患關(guān)系也會(huì)得到明顯的改善。即使之后國(guó)家不再?gòu)?qiáng)制公共場(chǎng)所需要佩戴口罩，口罩依然會(huì)成為后疫情時(shí)代的常態(tài)化裝備。眾所周知，口罩與人體面部密合性的好壞直接影響著口罩的過(guò)濾性能和舒適度。隨著口罩走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，口罩的標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化特征間的矛盾越來(lái)越突出。

綜上，我們團(tuán)隊(duì)提出得貼合于自身特點(diǎn)的健康口罩，既符合國(guó)家提出的疫情防控的標(biāo)準(zhǔn)，也能提供健康檢測(cè)，更契合于人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的健康意識(shí)。除此之外，個(gè)性化的裝飾，更能符合潮流，滿(mǎn)足于當(dāng)代審美多樣化的需求。所以我們認(rèn)為，較于市面中已流行的口罩，健康口罩于市場(chǎng)中有一片更為廣闊的藍(lán)海。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目來(lái)源：本論文是2020年度濱州醫(yī)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《潮流智慧口—基于呼吸數(shù)據(jù)分析的隨身健康助理》（S202010440111X）的課題研究成果。