在傳感器技術基礎上對時尚多功能口罩的研究設計

劉奕欣 王萬薛 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，口罩受到人們越來越多的關注。但是簡單的防護功能顯然已經滿足不了人們的額外需求，我們的設計在改變口罩外形同時，還加入了通過分析人們呼吸有關數據進而檢測人們的肺功能和呼吸系統健康的功能。[研究方法]通過文獻查閱和相關科技查閱明確氣體檢測技術，并對數名人員臉部尺寸進行3D掃描儀測量得到口罩結構參數。[研究結果]口罩的功能主要包括日常使用和科學檢測兩個方面。在該口罩中使用的是柔性氣體傳感器，該傳感器的優點是可穿戴并能保持良好的性能，能夠檢測人體肺功能異常和呼吸系統疾病。在市場調研中人們對口罩的美觀性，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。

關鍵詞：口罩，智慧型，結構設計，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口浪尖。無論何時何地，面對通過飛沫傳播，呼吸道傳播的新冠肺炎病毒口罩都是第一道防線，所以在疫情爆發初期口罩迅速成為了全球最為緊俏的物資，價格也水漲船高。19大以來國家就強調全面推進醫療衛生改革，不僅是為了民生福祉，更是為了國家的長治久安。而2020年新館疫情的爆發更是讓所有人從國家的層次上看到了醫療衛生改革的緊迫性和必要性。國家也在此領域持續發力，提升社會應對突發公共衛生事件的能力。遙想當年，也是SARS病毒的爆發讓國家的醫療衛生有了重大改觀。面對新冠疫情的演變，放眼世界唯有中國仍有完整的工業體系生產口罩滿足人民需求，甚至還有富裕生產力用以供應全球，為全球人民的福祉出一份力。

科技在飛速發展，人們對生活質量的追求也水漲船高，普通的醫用防護口罩顯然已經無法滿足人們對于口罩的需求，無論是在外形外觀上，還是科技功能上。而我國的眾多頂尖人才對此也早有發現，并針對這種現象提出了他們的解決方案。梁鑫花在論文中提出研究3D型防護口罩，邱智提出研究可拆卸式防護口罩，蔣霖提到了多功能口罩……但是他們都沒有針對年輕人更加在乎的口罩外觀，并針對性的做出個性化的研究。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，如佩戴期間補充水分等。阿格瓦教授則在氣味與特定疾病的研究方面獨樹一幟，像氣味與低血糖，前列腺癌和乳腺癌的關系都有了較為清晰的研究方向。關于口罩的原材料選擇，Yunetal認為將石墨烯組裝到紗線上能夠使口罩傳感器具有更強的化學穩定性，機械穩定性和二氧化氮氣體響應能力。Kerdcharoen則認為基于聚偏異丁酯/甲基混合酯的多壁碳納米管線狀氣體傳感器可以有效地檢測和分析氮氣。除此之外還有眾多各式各樣的可穿戴傳感設備，但是無一例外都有一個致命的缺陷就是在多種氣體并存的情況下無法有效的區分出目標氣體。因此針對這一特定問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，把單一的純色醫用防護口罩改進為更加符合年輕人審美需求的潮流口罩，在此基礎之上更是將口罩智能化，模塊化。對呼吸產生的物理化學數據進行監測分析，進而保證呼吸系統和肺功能的正常。

2.潮流設計

2.1.面部尺寸測量

面部數據的測量和分析是口罩制作的必要步驟。由點及線，將面部測量點進行連線。如圖1所示，一共測量L1、L2、L3三條直線和S1、S2、S3三條曲線，S1為鼻梁凸點和顴骨的連線，即口罩的上邊緣線，S2為鼻尖點和鼻翼側邊點的弧形連線，S3為下頜中心點與下頜角上端的連線，L1為口罩鼻部所需長度即鼻高尺寸，L2為口罩的側邊緣線，L3用來確定口罩主體的長度。

2.2.口罩制備工藝

運用激光雷達掃描儀技術，借助ipadpro等設備和canvas等軟件對人臉進行多次激光掃描，將數據整合后獲得人臉的基本幾何數據。然后運用studio等軟件對人臉數據進行處理和優化以及曲面重構，獲得基本的臉模數據。再將數據導入SolidWorks軟件中對口罩的進行更加合理的外形設計，使口罩能夠最大程度的貼合臉型再用切片軟件將模型設計好，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”，將一種傳感器對應一種目標氣體來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，這樣既能有效區分目標氣體又能有效便攜滿足人們的檢測需求。除此之外我們也發現了三種基于導電纖維的氣體傳感器可以用于檢測不同的有毒氣體：尼龍繩表面包裹單臂碳納米管（SWCNT）用于檢測甲醇，多臂碳納米管用于檢測氨，單臂碳納米管用于檢測乙醇。運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有顯著下降，經多次退化試驗后仍能保持良好的性能并正常發揮作用，因此該材料可以用于制作柔性可穿戴設備。

在我們設計的多功能傳感器中，每種傳感器都對應一種不同顏色的指示燈，如上文所說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應紅色，基于單臂碳納米管的柔性氣體傳感器對應綠色，基于單臂碳納米管的柔性氣體傳感器對應藍色，當三種傳感器在密封環境內（口罩內）都沒有遇到目標氣體時，傳感器的電阻就不會發生改變，因而指示燈不亮。

在密閉環境中注入目標氣體會引起某些氣體傳感器電阻的增加，對應指示燈亮起，當口罩暴露于氨氣內時三種傳感器的電阻都將增加，會引起所有的指示燈都點亮，除去氨氣以后電阻回復，指示燈全部關閉。其余兩種氣體原理同上，暴露與甲醛會使綠色和藍色指示燈亮起，暴露于乙醇中會使藍色指示燈打開。

3.市場調研

當前市場上多見的口罩為醫用外科口罩和pm2.5口罩，尤以醫用外科口罩因其價格低廉，應用廣泛而深入人心，廣受大眾的喜愛，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新冠疫情或者霧霾天氣時起到一定的作用，但是仍然會存在一些不可避免的問題：

（1）口罩的壽命

普通的醫用外科口罩在長期暴露于外界空氣中以后，特別是在多次重復佩戴以后無論是內面還是外面都已經布滿了細菌和可能存在的病毒，而不再具有防護功能，但大多數人并不會意識到這個問題，特別是老一輩人通常會因為節約而將一個口罩用到破損再進行更換，而這往往會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法佩戴口罩

口罩兩側的耳帶和口罩本身的材質往往決定了口罩整體的舒適程度，市面上常見的醫用外科口罩耳帶細長而富有彈性，往往會給耳緣留下深深的勒痕，特別是對于佩戴眼鏡的人群來說，更有可能會掛到眼鏡上，造成更大的損傷。對于天生或后天造成耳朵殘疾的人來說，醫用外科口罩也并不是一個完美地選擇，但往往他們別無選擇。

（3）佩戴引起的呼吸不適

醫用外科口罩本身通常使用三層布料結構，使得口罩本身厚重，對于非醫護人員往往會因為佩戴時間過長而引起呼吸困難。

（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佩戴口罩往往會在眼睛上起霧，雖然一個阻氣板就能解決這個問題，但是廉價的醫用外科口罩顯然不會貼心的裝上這一裝置，而考慮到我國的近視人數正在逐年激增，我們認為一個能夠防止起霧的防護口罩對于普通人群極為重要和必要。

（5）外觀需求

口罩外觀的單一性會使非醫護人員的普通民眾心理上產生抵觸情緒，美觀的口罩也是人們在日常生活中所需要的，尤其是對于追求美觀的青年人和追求刺激和標新立異的青少年來說。我們研制的多功能口罩可以彌補這些缺點，大大提高口罩的便捷性、舒適性和美觀度。

經前期發放調查問卷以調查多功能口罩的市場前景來看，當下人們對于口罩的使用要求也是與時俱進。本次問卷共106人參與作答，樣本來自在校大學生和社會民眾兩個主要群體，所得數據具有真實性和代表性。

首先，對于當下疫情仍在持續的情況，85%的受訪者認為在未來有可能疫情常態化的大背景下，口罩將會成為生活必需品。而對于口罩的使用情況，約55%的受訪者表示只會在疫情要求下才會佩戴口罩，45%的人們則會因為過敏、鼻炎等特殊情況而把口罩作為日常用品。與此同時，半數人希望未來口罩會成為日用品，約三成的受訪者則表示應該視疫情的控制情況而定。其次，人們希望對于當下市場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生或者少產生水汽，即加強口罩的透氣性;六成希望單只口罩可佩戴次數可以增加，即延長口罩使用壽命;45%的人們則對口罩的外觀提出了更高的要求，希望可以更加美觀。

除此之外，人們對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需求。具體到對于多功能口罩的實際需求，約60%的受訪者還是認為其單只使用壽命不宜過長，保持在10日左右為宜，即比當下市場上的口罩壽命延長，但考慮到實際制作材料，不宜超過15日。而對于民眾更為關心的價格問題，半數受訪者可接受的范圍為單只5元以下，約四成的人們認為單只5至20元也是一個合理價格區間。只有約一成的人們可以接受單只均價在100元左右的多功能口罩。此外，84%的受訪者表示希望在自己的生活半徑內可以有一家口罩的專賣店，也體現了當下民眾對于口罩的需求以及未來口罩日?；目赡苄?。

4.結語

有權威調查顯示，在這幾輪新冠疫情以后，我們預測大眾的健康管理意識和醫療衛生意識都將會有顯著的提高，醫患關系也會得到明顯的改善。即使之后國家不再強制公共場所需要佩戴口罩，口罩依然會成為后疫情時代的常態化裝備。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濾性能和舒適度。隨著口罩走進千家萬戶，口罩的標準化與個性化特征間的矛盾越來越突出。

綜上，我們團隊提出得貼合于自身特點的健康口罩，既符合國家提出的疫情防控的標準，也能提供健康檢測，更契合于人們日益增長的健康意識。除此之外，個性化的裝飾，更能符合潮流，滿足于當代審美多樣化的需求。所以我們認為，較于市面中已流行的口罩，健康口罩于市場中有一片更為廣闊的藍海。

參考文獻

（1）王春茹，鐘安華多功能貼合型兒童防護口罩設計武漢紡織大學服裝學院武漢430073

（2）陳鳳翔，翟麗莎，劉可帥，余臻偉，劉欣，徐衛林防護口罩研究進展及其發展趨勢西安工程大學學報第三十四卷第二期

（3）張瑄瑤，吳蘭，王渝迪，王全新冠肺炎疫情對個人未來健康管理的影響研究健康教育與健康促進2020，15（05）

（4）梁鑫花，叢洪蓮，董智佳橫編全成形3D防護口罩的設計與開發江南大學針織技術教育部工程研究中心江蘇無錫214122

（5）邱智，胡亞南，劉毅，黨灝辰，馬振馨雙層可拆卸式防護口罩及佩戴裝置設計西京學院，陜西西安市710000

（6）周若欣，印蓮珠，徐蕾，陸依婷，余佳悅，謝銀月可調節不蹭妝美白循環口罩設計上海健康醫學院中國科技信息2021年第2期

（7）蔣霖，岳芮，張晨，徐靜萱，沈博昌一種多功能口罩的設計東北林業大學，黑龍江哈爾濱150000

（8）張茜口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺設計沈陽紫微恒檢測設備有限公司沈陽110144

項目來源：本論文是2020年度濱州醫學院大學生創新創業訓練計劃項目《潮流智慧口—基于呼吸數據分析的隨身健康助理》（S202010440111X）的課題研究成果。