被稱為呼吸器的高質量口罩，例如 N95 和 KN95，可有效防止 COVID-19 的傳播。但在舒適性和便利性方面，肯定還有改進的空間。口罩會使眼鏡起霧。長時間佩戴會讓人感到悶熱和不舒服（尤其是在潮溼的夏季）。不同品牌之間的功效可能差異很大。當人們遮住半張臉時，就更難解讀面部表情並進行社互動動。
本週，一個名為“口罩創新挑戰賽”的專案公佈了 10 名決賽入圍者，這是一項高獎金競賽，旨在支援致力於未來口罩創新的創新者，並將這些團隊彼此聯絡起來。
該專案挑戰賽經理、健康科學家久美子·利波德說：“我們真的希望幫助支援創新，以便保護美國公眾免受未來公共衛生緊急事件的影響。”“我們共同努力，真正希望創造出舒適的產品——您可以長時間佩戴，最好感覺不到它的存在——並且還提供基於證據的卓越和傑出的防護，以便人們瞭解他們佩戴的是什麼以及為什麼要佩戴它，並且願意佩戴它。”
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口罩創新挑戰賽由利波德和她在美國衛生與公眾服務部生物醫學高階研究與發展管理局 (BARDA) 的研究、創新和風險投資部 (DRIVe) 的同事們共同負責。自 2021 年 3 月啟動競賽以來，迅速湧入了近 1,500 份參賽作品。為了將參賽作品篩選到 40 名決賽入圍者和 10 名獲獎者，利波德的團隊和一些受邀擔任評委的專家考察了四個標準。首先，參賽作品必須看起來切實可行，可以阻擋病毒並在現實世界的情況下發揮作用。其次，它需要具有創新性。第三，它必須解決諸如起霧或不適等問題，這些問題會導致佩戴者不斷調整口罩。最後，它必須具有強大的設計，能夠讓人們願意佩戴它。
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一些決賽入圍者創新了口罩的貼合或製造工藝。Air Flo Labs 使用 3D 掃描來確保 FloMask（左圖）適合佩戴者的臉型。李維斯開發了一種口罩（右圖），可以由任何服裝製造商生產。圖片來源：Air Flo Labs, LLC（左圖）；Paul Dillinger/李維斯公司（右圖）
10 個獲獎設計各不相同。大多數來自初創公司，一些起源於大學，還有一些是由包括亞馬遜在內的大公司提交的。對於某些口罩，創新在於新材料。喬治城大學的一個參賽作品使用輕便、透氣的金屬泡沫，這種泡沫透過微小的孔隙過濾汙染物。一家名為 4C Air 的初創公司創造了一種半透明過濾器，使其 BreSafe 透明口罩成為透明的。其他參賽者則嘗試了新的製造和貼合方法。牛仔褲製造商李維斯開發了一種低成本的呼吸器設計，該公司表示任何服裝生產商都可以製造，而初創公司 Air Flo Labs 使用三維面部掃描來確保其 Flo Mask Pro 能夠根據佩戴者的臉型量身定製。一些參賽作品透過重新思考設計元素而取得突破。其中包括初創公司 Air99 的 Airgami 口罩，該口罩採用了類似摺紙的摺疊方式，將口罩的過濾器鋪展到更大的表面積上，從而更容易呼吸。
但利波德和她的團隊並沒有止步於此。最初這組獲獎者被指定為競賽的第一階段，需要幾個月的時間來設計第二階段的新結構。“我們不只是想讓第二階段成為與第一階段類似的練習。我們真的想創造一些能夠滿足創新者需求的東西，”利波德解釋說。“我們透過隨著時間的推移與[公眾]和小企業互動來做到這一點，只是為了真正瞭解他們需要什麼。”
喬治城大學的參賽作品使用金屬泡沫作為其過濾材料。圖片來源：James Malloy/Christopher Jensen/MacCallum Robertson/Kai Liu
對於第二階段，DRIVe 重新開放了競賽：第一階段的獲獎者可以重新申請，新的參賽者也可以申請——而且這次的效能標準要高得多。“我們以一種真正推動創新者實現其產品的革命性變化的方式構建了它，”利波德說。“我們不是在尋求漸進式的改進。我們正在尋找真正能夠推動行業進步的東西。”在這一階段，DRIVe 團隊與兩個政府組織——國家職業安全與健康研究所 (NIOSH) 和國家標準與技術研究所合作，對參賽作品的過濾效率、透氣性和貼合性進行了反覆的實驗室測試。
然後，這些組織將結果提供給參賽者，讓他們有機會改進和完善自己的設計。“我從決賽入圍者那裡得到了非常積極的反饋，”美國國家標準與技術研究所的機械工程師和流體動力學家馬修·斯特梅茨說。雖然 NIOSH 進行了定量測試，例如測量能夠強行穿過材料併到達佩戴者的顆粒百分比，但斯特梅茨更側重於定性測量。例如，使用一種使空氣流動可見的成像技術，他記錄了自己在未戴口罩或佩戴挑戰賽參與者的原型口罩時呼吸、說話和咳嗽的情況。
美國國家標準與技術研究所的馬修·斯特梅茨在戴口罩和不戴口罩的情況下咳嗽，同時使用成像技術視覺化空氣離開他嘴後的傳播路徑。 圖片來源： M. Staymates/N. Hanacek/NIST
斯特梅茨還使用紅外攝像機記錄了自己，紅外攝像機可以檢測撥出的熱空氣，以展示口罩有多少面積在積極過濾他的呼吸。而且，他並不是唯一的實驗物件：他還使用定製的人體模型測試了口罩，這些人造模型像真人一樣“呼吸”，但會釋放可見的霧氣而不是透明的空氣。“我喜歡這樣做的地方在於，它提供了一個易於理解的視覺效果，證實了 NIOSH 定量資料所顯示的結果，”斯特梅茨說。“而且這些[口罩原型]非常棒。它們大約可以阻擋 98%、99% 從人體模型中噴出的飛沫。”
本週，BARDA 公佈了第二階段的 10 名決賽入圍者。在第一階段的 10 名獲獎者中，只有前面描述的 5 名進入了最終名單。五名新的決賽入圍者包括三種透明或半透明的設計：ClearMask、CrystalGuard 和 Matregenix Mask。還有無帶 ReadiMask，它使用專為皮膚設計的粘合劑直接粘附在佩戴者的臉上，從而避免空氣洩漏和起霧。第五位新的決賽入圍者是智慧、個性化、近面部、長時佩戴 (SINEW) 口罩，它甚至不會接觸到面部。相反，它使用靜電力來防止顆粒靠近佩戴者的鼻子和嘴巴。
包括 ClearMask（左圖）和 BreSafe（右圖）在內的幾位決賽入圍者創造了透明或半透明的面罩，這些面罩使人們更容易解讀面部表情，而不會犧牲過濾效果。圖片來源：ClearMask, LLC（左圖）；4C Air Inc（右圖）
利波德說，這些決賽入圍者將在 9 月份進行最後一輪測試。DRIVe 團隊將在 10 月份宣佈兩位獲獎者，他們每人將獲得 15 萬美元，以及兩位亞軍，他們每人將獲得 5 萬美元。但利波德已經認為這次挑戰賽取得了成功。“在某種程度上，我們已經實現了我們的目標，即幫助建立一個志同道合的創新者社群，他們只是想幫助其他人，”她說。“這在某種程度上是一個不言而喻的目標。但我們想幫助激發和支援真正新穎的設計的加速發展，我認為我們在第一階段實現了這一目標。”
她對下一階段的理想結果是幫助決賽入圍者獲得監管許可，例如 NIOSH 的 N95 認證或食品和藥物管理局的批准。“透過提供測試和評估的機會，我們幫助支援基於這些口罩及其工作原理的證據的產生，”利波德補充道。
無帶 ReadiMask 直接粘附在佩戴者的皮膚上。圖片來源：John Schwind/Global Safety First, LLC
弗吉尼亞理工大學的氣溶膠專家林賽·馬爾說：“口罩創新挑戰賽有利於激發新的設計和創新，並讓新的人員參與思考如何製造優質的 N95 口罩。”她沒有參與這次競賽。“我們希望讓人們儘可能容易地佩戴優質口罩，因為口罩是我們可用於預防 COVID-19 和其他疾病的最簡單、最快速、最便宜的工具之一。而且它們不針對任何特定變體——它們對所有變體都有效。”