更好的口罩是可能的:以下是一些获奖的设计

高质量口罩，如N95和KN95口罩，对防止新冠疫情的传播具有很强的防护作用。但在舒适性和便利性方面，仍有很大提升空间。口罩会让眼镜起雾，长时间佩戴会让人感到闷热不适（尤其是在炎热潮湿的夏天）。不同品牌的防护效果也存在较大差异。此外，当人们遮住半张脸时，就更难看清楚面部表情，也难以进行正常的社交互动。本周，一个名为“口罩创新挑战赛”（Mask Innovation Challenge）的项目公布了10个最终入围的参赛作品，这个高额奖金竞赛旨在支持那些致力于研发未来口罩的创新者，并将这些团队彼此连接起来。“我们真的希望帮助和支持创新，从而保护美国公众免受未来公共卫生紧急事件的威胁，”该项目负责人、健康科学家库米科·利普尔德（Kumiko Lippold）表示。“我们想一起创造一种真正舒适、可以长时间佩戴、甚至不会察觉自己在佩戴的口罩，同时还要具备基于证据的超强防护能力，让人们清楚了解自己为什么戴口罩，以及他们为什么愿意戴口罩。”“口罩创新挑战赛”由利普尔德及其在生物医学高级研究和发展管理局（BARDA）下属的研究、创新与投资部门（DRIVe）的同事共同组织。自2021年3月比赛启动以来，很快就收到了近1500份参赛作品。为了从这些作品中筛选出40位决赛入围者和10位最终获胜者，利普尔德的团队和一些被邀请担任评委的专家依据了四个标准。首先，参赛作品必须看起来在现实世界中确实可以有效阻挡病毒。其次，它必须具有创新性。第三，它必须解决诸如起雾或佩戴不适等问题，这些问题会导致佩戴者不断调整口罩。最后，它必须具备出色的设计，能够吸引人们佩戴。一些决赛入围者在口罩的适配或制作工艺方面进行了创新。Air Flo Labs利用3D扫描技术确保其FloMask（左）适合佩戴者的面部轮廓。李维斯（Levi Strauss）开发了一款口罩（右），该公司称任何服装制造商都可以生产。摄影：Air Flo Labs, LLC（左）；Paul Dillinger/Levi Strauss & Co.（右）这10个获奖设计各不相同。大多数来自初创企业，一些起源于大学，还有几项由包括亚马逊在内的大型公司提交。一些口罩的创新在于采用了新材料。乔治敦大学的一项参赛作品使用了轻便透气的金属泡沫，通过微小的孔过滤污染物。一家名为4C Air的初创公司创建了一种半透明过滤器，使其BreSafe透明口罩可以看见佩戴者的面部。其他参赛者则尝试了新的制造和适配方法。服装品牌李维斯开发了一种低成本的呼吸器设计，该公司称任何服装生产商都可以制造，而Air Flo Labs则利用三维面部扫描技术，确保其Flo Mask Pro口罩完全贴合佩戴者的面部。一些参赛作品通过重新思考设计元素而脱颖而出。其中包括Air99公司推出的Airgami口罩，其设计采用类似折纸的褶皱结构，使过滤面积更大，从而更易于呼吸。但利普尔德和她的团队并未止步于此。最初的这批获奖者被指定为比赛第一阶段的入围者，接下来还需要几个月时间来设计第二阶段的比赛结构。“我们并不是想让第二阶段的比赛与第一阶段类似。我们真的想创造一些能够满足创新者需求的东西，”利普尔德解释说。“我们做到了这一点，是通过与公众和小企业合作，逐步了解他们的真实需求。”乔治敦大学参赛作品使用金属泡沫作为过滤材料。摄影：James Malloy/Christopher Jensen/MacCallum Robertson/Kai Liu第二阶段的比赛由DRIVe重新开放：第一阶段的获奖者可以重新申请，同时也有新参赛者加入，而这次的参赛标准要高得多。“我们以一种方式设计了第二阶段，真正推动创新者实现产品上的革命性变革，”利普尔德表示。“我们没有寻找小的改进，我们寻找的是真正能够推动行业进步的创新。”在这一阶段，DRIVe团队与两个政府机构——国家职业安全与健康研究所（NIOSH）和国家标准与技术研究院（NIST）合作，多次在实验室中测试参赛作品的过滤效率、透气性和适配性。这些机构随后将测试结果提供给参赛者，让他们有机会改进和提升自己的设计。“我收到了来自入围者们的积极反馈，”NIST的机械工程师兼流体力学家马修·斯塔伊马特斯（Matthew Staymates）说。NIOSH进行了定量测试，例如测量有多少百分比的颗粒物能够穿透材料并到达佩戴者体内。而斯塔伊马特斯则专注于定性测量。例如，他使用一种使气流可见的成像技术，拍摄自己在未佩戴口罩和佩戴挑战赛参赛者原型口罩时的呼吸、说话和咳嗽过程。国家标准与技术研究院的马修·斯塔伊马特斯在使用成像技术可视化自己咳嗽后空气流动情况时，佩戴及未佩戴口罩进行测试。摄影：M. Staymates/N. Hanacek/NIST斯塔伊马特斯还使用红外摄像机记录自己，以检测呼气时产生的热空气，从而展示口罩有多少区域在实际过滤他的呼吸。而且他并不是唯一的“实验对象”：他还将这些口罩测试在自定义的“呼吸”人偶上，这些人偶模仿人类呼吸，但会释放出可见的雾气而不是透明空气。“我喜欢这种可视化方式，因为它很容易理解，并证实了NIOSH定量数据所显示的结果，”斯塔伊马特斯说道。“而这些口罩原型非常棒，它们能阻挡大约98%到99%来自人偶的飞沫。”本周，BARDA公布了第二阶段的10位最终入围者。在前10位第一阶段的获奖者中，只有前文提到的五位进入了入围名单。五位新的入围者包括三种透明或半透明设计：ClearMask、CrystalGuard和Matregenix Mask。还有免系带的ReadiMask，它使用皮肤专用粘合剂直接贴合在佩戴者面部上，从而避免空气泄漏和起雾。第五位新的入围者是SINEW口罩，其设计根本不接触面部。相反，它通过静电作用阻止颗粒物靠近佩戴者的鼻子和嘴巴。多位入围者，包括ClearMask（左）和BreSafe（右），设计了透明或半透明的面部覆盖物，使人们在不牺牲过滤能力的前提下更容易看清楚面部表情。摄影：ClearMask, LLC（左）；4C Air Inc（右）利普尔德表示，这些入围者将在9月进行最终测试。10月，DRIVe团队将宣布两位获胜者，每位将获得15万美元，另外两位亚军将各获5万美元。但利普尔德已经将这次挑战视为成功。“在某种程度上，我们已经实现了我们的目标，那就是帮助创建一个由志同道合的创新者组成的社区，他们只想帮助他人，”她表示。“这其实是我们没有明说的目标。但我们希望激励和支持那些真正新颖设计的加速实现，我认为我们在第一阶段已经做到了这一点。”她对下一阶段的理想期望是帮助入围者获得监管批准，例如NIOSH的N95认证或食品药品监督管理局（FDA）的批准。“通过提供测试和评估的机会，我们帮助支持基于这些口罩及其工作原理的证据生成，”利普尔德补充道。无系带的ReadiMask直接粘附在佩戴者的皮肤上。摄影：John Schwind/Global Safety First, LLC“‘口罩创新挑战赛’有助于激发新的设计和创新，并吸引更多人参与思考如何制造出更优质的N95口罩，”弗吉尼亚理工学院的气溶胶专家林赛·马尔（Linsey Marr）表示，她并未参与此次比赛。“我们希望让佩戴高质量口罩尽可能地容易，因为这是保护我们免受新冠以及其他疾病感染的最简单、最快和最便宜的工具之一。而且它们不针对特定变异株——它们对一切都有效。”