在传感器技术基础上对时尚多功能口罩的研究设计

刘奕欣 王万薛 肖克非 孙浩杰 任凤

摘要：[研究意义]随着疫情在全球的逐步蔓延，口罩受到人们越来越多的关注。但是简单的防护功能显然已经满足不了人們的额外需求，我们的设计在改变口罩外形同时，还加入了通过分析人们呼吸有关数据进而检测人们的肺功能和呼吸系统健康的功能。[研究方法]通过文献查阅和相关科技查阅明确气体检测技术，并对数名人员脸部尺寸进行3D扫描仪测量得到口罩结构参数。[研究结果]口罩的功能主要包括日常使用和科学检测两个方面。在该口罩中使用的是柔性气体传感器，该传感器的优点是可穿戴并能保持良好的性能，能够检测人体肺功能异常和呼吸系统疾病。在市场调研中人们对口罩的美观性，透气性，耐用性都有较大的需求，在口罩制备中我们都予以重视，并加以改造和提升。

关键词：口罩，智慧型，结构设计，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风口浪尖。无论何时何地，面对通过飞沫传播，呼吸道传播的新冠肺炎病毒口罩都是第一道防线，所以在疫情爆发初期口罩迅速成为了全球最为紧俏的物资，价格也水涨船高。19大以来国家就强调全面推进医疗卫生改革，不仅是为了民生福祉，更是为了国家的长治久安。而2020年新馆疫情的爆发更是让所有人从国家的层次上看到了医疗卫生改革的紧迫性和必要性。国家也在此领域持续发力，提升社会应对突发公共卫生事件的能力。遥想当年，也是SARS病毒的爆发让国家的医疗卫生有了重大改观。面对新冠疫情的演变，放眼世界唯有中国仍有完整的工业体系生产口罩满足人民需求，甚至还有富裕生产力用以供应全球，为全球人民的福祉出一份力。

科技在飞速发展，人们对生活质量的追求也水涨船高，普通的医用防护口罩显然已经无法满足人们对于口罩的需求，无论是在外形外观上，还是科技功能上。而我国的众多顶尖人才对此也早有发现，并针对这种现象提出了他们的解决方案。梁鑫花在论文中提出研究3D型防护口罩，邱智提出研究可拆卸式防护口罩，蒋霖提到了多功能口罩……但是他们都没有针对年轻人更加在乎的口罩外观，并针对性的做出个性化的研究。蒋霖的文章中提到的多功能口罩偏向于更加贴近大众的生活，如佩戴期间补充水分等。阿格瓦教授则在气味与特定疾病的研究方面独树一帜，像气味与低血糖，前列腺癌和乳腺癌的关系都有了较为清晰的研究方向。关于口罩的原材料选择，Yunetal认为将石墨烯组装到纱线上能够使口罩传感器具有更强的化学稳定性，机械稳定性和二氧化氮气体响应能力。Kerdcharoen则认为基于聚偏异丁酯/甲基混合酯的多壁碳纳米管线状气体传感器可以有效地检测和分析氮气。除此之外还有众多各式各样的可穿戴传感设备，但是无一例外都有一个致命的缺陷就是在多种气体并存的情况下无法有效的区分出目标气体。因此针对这一特定问题和人们迫切而广泛的需求，我们提出了潮流智慧口罩这一研究课题，把单一的纯色医用防护口罩改进为更加符合年轻人审美需求的潮流口罩，在此基础之上更是将口罩智能化，模块化。对呼吸产生的物理化学数据进行监测分析，进而保证呼吸系统和肺功能的正常。

2.潮流设计

2.1.面部尺寸测量

面部数据的测量和分析是口罩制作的必要步骤。由点及线，将面部测量点进行连线。如图1所示，一共测量L1、L2、L3三条直线和S1、S2、S3三条曲线，S1为鼻梁凸点和颧骨的连线，即口罩的上边缘线，S2为鼻尖点和鼻翼侧边点的弧形连线，S3为下颌中心点与下颌角上端的连线，L1为口罩鼻部所需长度即鼻高尺寸，L2为口罩的侧边缘线，L3用来确定口罩主体的长度。

2.2.口罩制备工艺

运用激光雷达扫描仪技术，借助ipadpro等设备和canvas等软件对人脸进行多次激光扫描，将数据整合后获得人脸的基本几何数据。然后运用studio等软件对人脸数据进行处理和优化以及曲面重构，获得基本的脸模数据。再将数据导入SolidWorks软件中对口罩的进行更加合理的外形设计，使口罩能够最大程度的贴合脸型再用切片软件将模型设计好，最后3d打印获得基本雏形。

在多次尝试后我们最终决定使用“onekeytoonelock”，将一种传感器对应一种目标气体来制备高性能可穿戴气体传感器，并将传感器模块化，使之方便携带和组装，这样既能有效区分目标气体又能有效便携满足人们的检测需求。除此之外我们也发现了三种基于导电纤维的气体传感器可以用于检测不同的有毒气体：尼龙绳表面包裹单臂碳纳米管（SWCNT）用于检测甲醇，多臂碳纳米管用于检测氨，单臂碳纳米管用于检测乙醇。运用这三种材料的传感器具有较高的灵敏度和可逆性，是制备口罩传感器的绝佳选择。除此之外，这三种材料在大角度弯曲折叠后灵敏度并没有显著下降，经多次退化试验后仍能保持良好的性能并正常发挥作用，因此该材料可以用于制作柔性可穿戴设备。

在我们设计的多功能传感器中，每种传感器都对应一种不同颜色的指示灯，如上文所说的三种材料制成的三种不同的气体传感器：基于多臂碳纳米管的柔性气体传感器对应红色，基于单臂碳纳米管的柔性气体传感器对应绿色，基于单臂碳纳米管的柔性气体传感器对应蓝色，当三种传感器在密封环境内（口罩内）都没有遇到目标气体时，传感器的电阻就不会发生改变，因而指示灯不亮。

在密闭环境中注入目标气体会引起某些气体传感器电阻的增加，对应指示灯亮起，当口罩暴露于氨气内时三种传感器的电阻都将增加，会引起所有的指示灯都点亮，除去氨气以后电阻回复，指示灯全部关闭。其余两种气体原理同上，暴露与甲醛会使绿色和蓝色指示灯亮起，暴露于乙醇中会使蓝色指示灯打开。

3.市场调研

当前市场上多见的口罩为医用外科口罩和pm2.5口罩，尤以医用外科口罩因其价格低廉，应用广泛而深入人心，广受大众的喜爱，也正因如此在疫情初期被一扫而空。虽然两种口罩都能在面对新冠疫情或者雾霾天气时起到一定的作用，但是仍然会存在一些不可避免的问题：

（1）口罩的寿命

普通的医用外科口罩在长期暴露于外界空气中以后，特别是在多次重复佩戴以后無论是内面还是外面都已经布满了细菌和可能存在的病毒，而不再具有防护功能，但大多数人并不会意识到这个问题，特别是老一辈人通常会因为节约而将一个口罩用到破损再进行更换，而这往往会造成巨大的安全隐患。

（2）因佩戴口罩造成的不适感或生理缺陷无法佩戴口罩

口罩两侧的耳带和口罩本身的材质往往决定了口罩整体的舒适程度，市面上常见的医用外科口罩耳带细长而富有弹性，往往会给耳缘留下深深的勒痕，特别是对于佩戴眼镜的人群来说，更有可能会挂到眼镜上，造成更大的损伤。对于天生或后天造成耳朵残疾的人来说，医用外科口罩也并不是一个完美地选择，但往往他们别无选择。

（3）佩戴引起的呼吸不适

医用外科口罩本身通常使用三层布料结构，使得口罩本身厚重，对于非医护人员往往会因为佩戴时间过长而引起呼吸困难。

（4）佩戴口罩引起的雾水造成安全隐患

使用眼镜的人群在天气寒冷时佩戴口罩往往会在眼睛上起雾，虽然一个阻气板就能解决这个问题，但是廉价的医用外科口罩显然不会贴心的装上这一装置，而考虑到我国的近视人数正在逐年激增，我们认为一个能够防止起雾的防护口罩对于普通人群极为重要和必要。

（5）外观需求

口罩外观的单一性会使非医护人员的普通民众心理上产生抵触情绪，美观的口罩也是人们在日常生活中所需要的，尤其是对于追求美观的青年人和追求刺激和标新立异的青少年来说。我们研制的多功能口罩可以弥补这些缺点，大大提高口罩的便捷性、舒适性和美观度。

经前期发放调查问卷以调查多功能口罩的市场前景来看，当下人们对于口罩的使用要求也是与时俱进。本次问卷共106人参与作答，样本来自在校大学生和社会民众两个主要群体，所得数据具有真实性和代表性。

首先，对于当下疫情仍在持续的情况，85%的受访者认为在未来有可能疫情常态化的大背景下，口罩将会成为生活必需品。而对于口罩的使用情况，约55%的受访者表示只会在疫情要求下才会佩戴口罩，45%的人们则会因为过敏、鼻炎等特殊情况而把口罩作为日常用品。与此同时，半数人希望未来口罩会成为日用品，约三成的受访者则表示应该视疫情的控制情况而定。其次，人们希望对于当下市场流行的口罩的改善方面也是大同小异，其中约八成的人们希望口罩可以不产生或者少产生水汽，即加强口罩的透气性;六成希望单只口罩可佩戴次数可以增加，即延长口罩使用寿命;45%的人们则对口罩的外观提出了更高的要求，希望可以更加美观。

除此之外，人们对于口罩的佩戴方式也有其他期望，即希望变挂耳式为贴合式，以降低耳朵的不适感或者迎合耳朵带伤以及有缺陷的特殊人群的消费需求。具体到对于多功能口罩的实际需求，约60%的受访者还是认为其单只使用寿命不宜过长，保持在10日左右为宜，即比当下市场上的口罩寿命延长，但考虑到实际制作材料，不宜超过15日。而对于民众更为关心的价格问题，半数受访者可接受的范围为单只5元以下，约四成的人们认为单只5至20元也是一个合理价格区间。只有约一成的人们可以接受单只均价在100元左右的多功能口罩。此外，84%的受访者表示希望在自己的生活半径内可以有一家口罩的专卖店，也体现了当下民众对于口罩的需求以及未来口罩日常化的可能性。

4.结语

有权威调查显示，在这几轮新冠疫情以后，我们预测大众的健康管理意识和医疗卫生意识都将会有显著的提高，医患关系也会得到明显的改善。即使之后国家不再强制公共场所需要佩戴口罩，口罩依然会成为后疫情时代的常态化装备。众所周知，口罩与人体面部密合性的好坏直接影响着口罩的过滤性能和舒适度。随着口罩走进千家万户，口罩的标准化与个性化特征间的矛盾越来越突出。

综上，我们团队提出得贴合于自身特点的健康口罩，既符合国家提出的疫情防控的标准，也能提供健康检测，更契合于人们日益增长的健康意识。除此之外，个性化的装饰，更能符合潮流，满足于当代审美多样化的需求。所以我们认为，较于市面中已流行的口罩，健康口罩于市场中有一片更为广阔的蓝海。

参考文献

（1）王春茹，钟安华多功能贴合型儿童防护口罩设计武汉纺织大学服装学院武汉430073

（2）陈凤翔，翟丽莎，刘可帅，余臻伟，刘欣，徐卫林防护口罩研究进展及其发展趋势西安工程大学学报第三十四卷第二期

（3）张瑄瑶，吴兰，王渝迪，王全新冠肺炎疫情对个人未来健康管理的影响研究健康教育与健康促进2020，15（05）

（4）梁鑫花，丛洪莲，董智佳横编全成形3D防护口罩的设计与开发江南大学针织技术教育部工程研究中心江苏无锡214122

（5）邱智，胡亚南，刘毅，党灏辰，马振馨双层可拆卸式防护口罩及佩戴装置设计西京学院，陕西西安市710000

（6）周若欣，印莲珠，徐蕾，陆依婷，余佳悦，谢银月可调节不蹭妆美白循环口罩设计上海健康医学院中国科技信息2021年第2期

（7）蒋霖，岳芮，张晨，徐静萱，沈博昌一种多功能口罩的设计东北林业大学，黑龙江哈尔滨150000

（8）张茜口罩盐性颗粒物过滤效率试验台设计沈阳紫微恒检测设备有限公司沈阳110144

项目来源：本论文是2020年度滨州医学院大学生创新创业训练计划项目《潮流智慧口—基于呼吸数据分析的随身健康助理》（S202010440111X）的课题研究成果。