電動(dòng)口罩全球?qū)＠夹g(shù)分析

高利業(yè) 張秀麗

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心 河南鄭州 450046

近年來(lái)全球范圍內(nèi)重污染天氣頻發(fā)，空氣中的PM2.5等細(xì)微顆粒吸入體內(nèi)可在肺泡沉積并進(jìn)入血液循環(huán)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害[1]。此外，部分具有傳染性的病毒和細(xì)菌等微生物，易通過(guò)呼吸道在人群中傳播，影響人們生命安全。目前，對(duì)于上述情況最簡(jiǎn)單的防護(hù)方式就是佩戴口罩。但普通口罩若要滿足一定的過(guò)濾性，存在呼吸阻力過(guò)大的問(wèn)題，容易導(dǎo)致佩戴者呼吸不暢，佩戴體驗(yàn)較差。現(xiàn)有的電動(dòng)口罩，不僅能夠滿足過(guò)濾性能，還能通過(guò)風(fēng)扇等結(jié)構(gòu)主動(dòng)對(duì)佩戴者送風(fēng)，讓佩戴者擁有較好的呼吸體驗(yàn)。

1 電動(dòng)口罩的結(jié)構(gòu)及工作原理

電動(dòng)口罩的全稱為電動(dòng)送風(fēng)口罩，主要由頭帶、硅膠面罩、負(fù)壓產(chǎn)生部件、過(guò)濾部件和呼吸閥等部件組成，負(fù)壓產(chǎn)生部件通常包括開關(guān)、帶有控制芯片的電路板、電池、電機(jī)和扇葉等部件，過(guò)濾部件通常包括可拆卸面板和濾芯。

電動(dòng)口罩的工作原理類似于空氣凈化器，負(fù)壓產(chǎn)生部件啟動(dòng)后，在靠近面部一側(cè)形成負(fù)壓，外接空氣通過(guò)過(guò)濾部件進(jìn)入硅膠面罩內(nèi)供佩戴者呼吸，負(fù)壓部件的存在使得佩戴者呼吸體驗(yàn)更好，同時(shí)過(guò)濾部件具有常規(guī)口罩的過(guò)濾防護(hù)作用。

2 電動(dòng)口罩相關(guān)專利技術(shù)分析

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)，基于“電動(dòng)口罩”和“electric respirators”等關(guān)鍵詞以及“A62B18/02”、“A62B7/10”和“A41D13/11”等分類號(hào)進(jìn)行檢索，共檢索到2868組相關(guān)專利，檢索截止時(shí)間為：2020年12月31日。此外，由于電動(dòng)口罩相關(guān)專利數(shù)量較多，本文針對(duì)非醫(yī)療用電動(dòng)口罩進(jìn)行分析。

2.1 全球最早的電動(dòng)口罩專利

全球范圍內(nèi)最早的電動(dòng)口罩是申請(qǐng)人WADE HAROLD于1917年9月11日申請(qǐng)的適用于潛水設(shè)備的呼吸裝置的改進(jìn)，公開號(hào)為GB116424A。該專利中公開了一種供潛水員使用的呼吸裝置，在潛水員的頭盔和套管之間設(shè)置有電動(dòng)風(fēng)扇，以便在套管和頭盔之間產(chǎn)生呼吸空氣的循環(huán)，以促進(jìn)潛水員的呼吸。該裝置可內(nèi)置電池或外接電源。

2.2 全球范圍內(nèi)電動(dòng)口罩相關(guān)專利申請(qǐng)情況分析

如圖1所示，近20年內(nèi)全球范圍內(nèi)電動(dòng)口罩專利申請(qǐng)量前10年內(nèi)基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)，但2011年之后，隨著霧霾天氣以及全球范圍內(nèi)空氣質(zhì)量的下降，申請(qǐng)量基本是逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，但由于專利申請(qǐng)公開時(shí)間相對(duì)申請(qǐng)日存在一定滯后性，2019-2020年的申請(qǐng)量暫時(shí)較低。

圖1 全球范圍內(nèi)近20年專利申請(qǐng)趨勢(shì)

如圖2所示為全球范圍內(nèi)電動(dòng)口罩專利申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人均為在醫(yī)療保健、空氣凈化、個(gè)人防護(hù)用品領(lǐng)域的全球知名企業(yè)分別為3M創(chuàng)新公司、雷斯梅德有限公司、費(fèi)雪派克醫(yī)療保健有限公司和皇家飛利浦電子股份有限公司等，它們具有厚重的技術(shù)積累并掌握著前沿的技術(shù)。

圖2 申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量

3 電動(dòng)口罩專利技術(shù)發(fā)展路線及展望

3.1 電動(dòng)口罩專利技術(shù)發(fā)展路線

下圖4為全球范圍內(nèi)公開的電動(dòng)口罩相關(guān)的重點(diǎn)專利（均以公開時(shí)間統(tǒng)計(jì)），技術(shù)發(fā)展路線如下：

（1）佩戴方式的改進(jìn)：從最初包覆整個(gè)頭部且需要有外部的氧氣源，逐漸發(fā)展為具有過(guò)濾系統(tǒng)的面罩式，再根據(jù)使用場(chǎng)景發(fā)展為個(gè)人戶外或特殊作業(yè)場(chǎng)所的口罩式，其改進(jìn)主要基于制造技術(shù)、電機(jī)及電源技術(shù)的發(fā)展，以及電路系統(tǒng)的集成化，隨著用戶對(duì)形狀美觀、佩戴舒適性（如CA2010055A1、USH1360H1和WO2018086061A1等）、使用便捷等方面的需不斷改進(jìn)。

（2）供電系統(tǒng)的改進(jìn)：從最初的外接電源，攜帶非常不便，隨著電源技術(shù)的發(fā)展，使用具有小體積大容量的干電池，再到可充電電池；近年隨著太陽(yáng)能電池板的成熟應(yīng)用，2008年9月18日J(rèn)P2008212603A首次公開通過(guò)太陽(yáng)能板和存儲(chǔ)電池提供動(dòng)力，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池板的成熟及低成本應(yīng)用晚于國(guó)外，國(guó)內(nèi)于2017年7月7日才公開了第一篇使用太陽(yáng)能為鋰電池供電的電動(dòng)口罩。隨著電機(jī)節(jié)電（WO03002205A1）、控制系統(tǒng)的智能化（如CN205671531U）以及呼出氣體的再利用發(fā)電（如CN206836303U）等技術(shù)發(fā)展與成熟應(yīng)用，電動(dòng)口罩的續(xù)航能力逐漸提升。

（3）過(guò)濾部件的改進(jìn)：隨著材料制造技術(shù)、納米技術(shù)和超聲波等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)濾芯結(jié)構(gòu)及性能也不斷地提高（如DE2833219A1、WO2017131035A1和CN111821601A等），提高電動(dòng)口罩的防塵、防霧霾以及病毒和細(xì)菌等微生物。此外，關(guān)于濾芯更換以及濾芯剩余壽命的指示等技術(shù)也在不斷地發(fā)展（如CA2090741A1和US2010294273A1等），也提高了電動(dòng)口罩使用的便捷性和有效性。

（4）呼吸舒適性的改進(jìn)：隨著傳感技術(shù)及智能控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)口罩技術(shù)從最初簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)進(jìn)氣量發(fā)展至對(duì)呼入空氣溫度進(jìn)行散熱和加熱以使吸入空氣的溫度更合適（如WO1991003277A1）、感應(yīng)人體呼吸特征調(diào)節(jié)合適的進(jìn)氣量（CN205671531U）、設(shè)置導(dǎo)流通道讓使用者不會(huì)刺激鼻腔（CN107019855A）等，早在2008年日本還公開了用于運(yùn)動(dòng)的口罩（JP2008194092A）。

圖3 全球電動(dòng)口罩相關(guān)專利隨時(shí)間推進(jìn)的重點(diǎn)技術(shù)改進(jìn)

3.2 電動(dòng)口罩專利技術(shù)展望

根據(jù)智慧芽自動(dòng)生成的電動(dòng)口罩3D專利地圖（如圖4所示）分析，該領(lǐng)域內(nèi)防護(hù)口罩、自我呼吸器、防護(hù)面具等申請(qǐng)量最多，技術(shù)也更為成熟；其次為濾芯和電池的可拆卸結(jié)構(gòu)，便于更換濾芯、電池；佩戴更舒適的耳帶、硅膠面罩和主機(jī)的成型以及自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)；以及呼吸器和電動(dòng)口罩的微型控制系統(tǒng)。

圖4 電動(dòng)口罩相關(guān)專利3D專利地圖

結(jié)合電動(dòng)口罩相關(guān)專利3D專利地圖及消費(fèi)者使用體驗(yàn)綜合分析，未來(lái)電動(dòng)口罩技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下方面：

（1）持續(xù)提升用戶體驗(yàn)。減小電動(dòng)口罩整體重量以使佩戴更輕便；改進(jìn)面罩形狀以使其與面部貼合更緊密保證防護(hù)效果；采用更加親膚的材質(zhì)制作面罩使佩戴更舒適等。

（2）進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。降低風(fēng)機(jī)組件工作時(shí)聲音以減小佩戴電動(dòng)口罩時(shí)的噪聲[2]；提高過(guò)濾部件與口罩主體之間連接結(jié)構(gòu)的拆卸便利性及牢固性，以使濾芯的更換更加簡(jiǎn)便和佩戴時(shí)過(guò)濾部件連接更牢固；增強(qiáng)電動(dòng)口罩控制系統(tǒng)的智能性，降低使用功耗增強(qiáng)使用續(xù)航能力，以及可以根據(jù)佩戴者不同年齡人群、不同時(shí)段的呼吸進(jìn)氣量（如走路時(shí)、跑步時(shí)或負(fù)重狀態(tài)）調(diào)整電動(dòng)口罩的進(jìn)氣量，滿足不同年齡段佩戴者的使用和佩戴者更多使用狀態(tài)正常呼吸進(jìn)氣量。

（3）增強(qiáng)防護(hù)效果。提升濾芯過(guò)濾病毒、細(xì)菌、粉塵等不同類型不同大小的過(guò)濾能力。

（4）降低使用成本。延長(zhǎng)濾芯的使用壽命，以及研發(fā)可重復(fù)利用的濾芯。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然電動(dòng)口罩技術(shù)已經(jīng)誕生一百多年，但更多的是應(yīng)用在醫(yī)療防護(hù)和煤礦等粉塵較多的行業(yè)中，用于個(gè)人日常防護(hù)的電動(dòng)口罩仍屬于新興產(chǎn)品，價(jià)格處于較高水平，技術(shù)和性能也有待進(jìn)一步提升。公眾選購(gòu)時(shí)可從滿足防護(hù)等級(jí)、佩戴舒適度、工作噪聲、進(jìn)氣量和續(xù)航能力等方面重點(diǎn)考慮[3]。此外，電動(dòng)口罩雖然工作原理簡(jiǎn)單，但在提升用戶體驗(yàn)及產(chǎn)品性能方面還有很大的發(fā)展空間，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從其未來(lái)發(fā)展方向入手重點(diǎn)突破。

（*對(duì)本文貢獻(xiàn)等同于第一作者）