褶皱形口罩“Airgami”（来自Air99公司）。图片来源：Richard Gordon
(资料图片)
撰文 | Sophie Bushwick
翻译 | 彭容
审校 | clefable
在一场“口罩创新挑战赛”中，来自不同领域的创新团队荟萃一堂，经过两个阶段的比赛，多款高质量防疫口罩设计作品引人注目。
在2019年新冠病毒肆虐期间，N95和KN95等优质的医用防护级口罩为人们提供了强有力的保护。但在舒适性和便利性方面，这些口罩肯定还有改进的余地。例如，戴口罩容易使眼镜起雾。一次戴口罩几个小时后可能会出汗和不舒服（尤其是在湿热的夏季）。不同品牌口罩的防护效果也可能有很大差异。另外，当戴口罩会遮住人们一半的脸，这也让人们很难读懂被人面部表情进，社交互动会受到阻碍。
近期，一个名为“口罩创新挑战赛”（Mask Innovation Challenge）的比赛项目宣布了10名决赛入围者，他们将角逐最终大奖。该大赛旨在支持致力于研发未来口罩的创新者，并让这些开发团队相互联系起来。
“我们真的很想支持创新，以保护美国公众免受未来突发公共卫生事件的影响，”这场挑战赛负责人、健康科学家Kumiko Lippold说，“因此，我们真的需要共同努力来创造出一种舒适的口罩，你可以长时间佩戴它，理想情况下，甚至意识不到戴着口罩。此外，这种口罩能提供的高质量和特定的保护还需要得到证据支持，让人们了解他们佩戴的是什么以及为什么佩戴它，从而更愿意佩戴口罩。”
这场“口罩创新挑战赛”（Mask Innovation Challenge）由Lippold和她的同事主持，他们都来自美国卫生和公众服务部生物医学高级研究与发展局（BARDA）下属的研究、创新和创业部（DRIVe）。当比赛在2021年3月启动后，主办方就收到了近1500份参赛作品。为了筛选出40名决赛选手和10名优胜者，Lippold的团队和一些评委专家研究并制定了四个标准：第一，口罩必须能阻止病毒传播，可以应用在现实生活中。第二，具有创新点。第三，它必须解决诸如眼镜起雾或佩戴不适等问题，由于这些问题，佩戴者可能会需要不断重新调整口罩。最后，它必须有一个出彩的设计，让人们想要佩戴它。
最终获奖的10个口罩设计作品存在很大的差异。其中大多设计作品来自初创企业，一些来自大学，还有一些来自大公司，例如包括亚马逊等。一些口罩的创新点主要在于采用的新材料。例如，乔治敦大学（Georgetown University）使用了一种轻质、透气的金属泡沫，其中微小的气孔可以过滤污染物。
乔治敦大学采用金属泡沫作为口罩过滤材料。图片来源：James Malloy/Christopher Jensen/MacCallum Robertson/Kai Liu
一家名为4C Air的初创公司开发了一种半透明过滤器，并以此设计出了一款名为“BreSafe”的透明口罩产品。其他参赛者尝试了新的制作和装配方法。牛仔裤制造商Levi Strauss开发了一种低成本的口罩设计，该公司表示，任何服装生产商都可以制造这种口罩。而初创公司Air Flo Labs则使用三维面部扫描技术，其生产的口罩Flo Mask能很好地贴合佩戴者的面部。一些参赛者通过重新思考设计元素而进入决赛。其中包括初创公司Air99的“Airgami”口罩，该面罩采用折纸状褶皱，使得口罩中的过滤器表面积更大，而佩戴者也更容易呼吸。
左图：3D面部扫描定制口罩“FloMask”（来自Air Flo Labs公司）。右图：任何服装制造商都能生产的口罩（来自Levi Strauss公司）。图片来源：Air Flo Labs, LLC （左）；Paul Dillinger/Levi Strauss & Co.（右）
不过，Lippold和她的团队还没有结束比赛的工作。这些初赛的获胜者只是完成了比赛的第一阶段，他们还需要用几个月的时间，为第二阶段的比赛设计一个新的产品结构。Lippold解释说：“我们不想让第二阶段成为和第一阶段类似的练习，想真正创造一些能够满足创新者需求的东西。通过与公众和小型企业的长期接触，我们可以真正了解他们需要的是什么。”
在第二阶段的比赛中，DRIVe重启了赛程：无论是第一阶段的获胜者，还是新参赛者都可以重新申请，但这次的评判标准要高得多。Lippold说：“我们之所以这样设计赛制，是为了真正推动创新者去实现其产品的革命性变革。我们并不是在寻求渐进式的改进。我们只是在寻找真正能够改变现状的产品。”在这一比赛阶段，DRIVe团队与两个政府组织——美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）和美国国家标准与技术研究院（NIST）——合作，对参赛口罩产品的过滤效率、透气性和适合度进行了多次实验室测试。
随后这些组织将结果反馈给了参赛者，让他们有机会修改和改进自己的设计。NIST机械工程师和流体动力学家Matthew Staymates说：“决赛选手们给我们非常积极的反馈。”虽然NIOSH进行了定量的测试，例如测量粒子能够强行穿过材料并被佩戴者吸入的百分比，不过Staymates更专注于定性的测试。例如，他使用了一种让气流可见的成像技术，记录下自己在不戴口罩和佩戴参赛的口罩作品时呼吸、说话和咳嗽的成像情况。
Matthew Staymates利用成像技术揭示佩戴口罩与否的唾沫传播路径。图片来源：M. Staymates/N. Hanacek/NIST
Staymates还用红外摄像机记录了自己的呼吸过程，红外摄像机可以检测呼出的热空气，以显示口罩中能有效过滤气体的区域面积。他并不是实验中唯一的“小白鼠”：他还在定制的人体模型上测试了口罩，这些模型可以像人一样“呼吸”，但其能够呼出可见的雾气，而不是透明的空气。Staymates说：“我喜欢这个测试模型的原因是，它能提供一种易于理解的视觉效果，可以证实NIOSH的定量数据所显示的内容。这些口罩作品非常棒，它们阻挡了从人体模型中呼出的大约98%~99%的飞沫。”
BARDA提名了第二阶段的10名决赛选手。在第一阶段获奖的10位参赛者中，只有5位入围第二阶段的决赛。另外5个新入围作品包括3款透明或半透明的口罩设计：ClearMask、CrystalGuard和Matregenix Mask。还有一款无耳带口罩“ReadiMask”，它使用了专为皮肤设计的粘合剂，能够直接粘在佩戴者的脸上，从而避免漏气和起雾。第五位新入围作品是集智能化、个性化、近脸和延长佩戴于一体的“SINEW”口罩，它甚至不会接触到面部。相反，它使用静电力来防止微粒接近佩戴者的鼻子和嘴巴。
半透明口罩设计产品，左图：ClearMask，右图：BreSafe。图片来源：ClearMask, LLC（左）；4C Air Inc（右）
无耳带设计口罩“ReadiMask”。图片来源：John Schwind/Global Safety First, LLC
Lippold说，这些入围作品在9月份进行了最后一轮测试。10月，DRIVe团队宣布两名优胜者，每人将获得15万美元奖金；两名亚军将各获得5万美元。Lippold认为这项挑战赛是成功的，她说：“在某种程度上，我们已经实现了我们的目标，即帮助创建一个由志同道合的创新者组成的社区，他们都想要帮助其他人。这是一个不言而喻的目标。但我们希望帮助激励和加快真正新颖的设计涌现，我认为在第一阶段的比赛中我们就实现了这一目标。”
她下一阶段的目标是帮助入围作品获得监管许可，如NIOSH的N95认证或美国食品和药物管理局的批准。Lippold补充道：“通过提供测试和评估的机会，我们可以帮助获得了这些口罩的各项数据，了解了它们如何发挥作用。”
弗吉尼亚理工大学的气溶胶专家Linsey Marr表示：“口罩创新挑战赛有助于激发新的设计和创新，让更多的人参与思考如何制作更好用的N95口罩。我们想让人们尽可能方便地佩戴优质口罩，因为佩戴口罩是我们用来预防新冠病毒感染和其他疾病的最简单、最快捷和最便宜的方式之一。而且口罩并不是针对特定的病毒变体的，而是适用于所有的病毒防御。”
https://www.scientificamerican.com/article/better-face-masks-are-possible-here-are-some-winning-designs/
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