被称为呼吸器的高质量口罩，例如 N95 和 KN95，可有效防止 COVID-19 的传播。但在舒适性和便利性方面，肯定还有改进的空间。口罩会使眼镜起雾。长时间佩戴会让人感到闷热和不舒服（尤其是在潮湿的夏季）。不同品牌之间的功效可能差异很大。当人们遮住半张脸时，就更难解读面部表情并进行社交互动。
本周，一个名为“口罩创新挑战赛”的项目公布了 10 名决赛入围者，这是一项高奖金竞赛，旨在支持致力于未来口罩创新的创新者，并将这些团队彼此联系起来。
该项目挑战赛经理、健康科学家久美子·利波德说：“我们真的希望帮助支持创新，以便保护美国公众免受未来公共卫生紧急事件的影响。”“我们共同努力，真正希望创造出舒适的产品——您可以长时间佩戴，最好感觉不到它的存在——并且还提供基于证据的卓越和杰出的防护，以便人们了解他们佩戴的是什么以及为什么要佩戴它，并且愿意佩戴它。”
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口罩创新挑战赛由利波德和她在美国卫生与公众服务部生物医学高级研究与发展管理局 (BARDA) 的研究、创新和风险投资部 (DRIVe) 的同事们共同负责。自 2021 年 3 月启动竞赛以来，迅速涌入了近 1,500 份参赛作品。为了将参赛作品筛选到 40 名决赛入围者和 10 名获奖者，利波德的团队和一些受邀担任评委的专家考察了四个标准。首先，参赛作品必须看起来切实可行，可以阻挡病毒并在现实世界的情况下发挥作用。其次，它需要具有创新性。第三，它必须解决诸如起雾或不适等问题，这些问题会导致佩戴者不断调整口罩。最后，它必须具有强大的设计，能够让人们愿意佩戴它。
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一些决赛入围者创新了口罩的贴合或制造工艺。Air Flo Labs 使用 3D 扫描来确保 FloMask（左图）适合佩戴者的脸型。李维斯开发了一种口罩（右图），可以由任何服装制造商生产。图片来源：Air Flo Labs, LLC（左图）；Paul Dillinger/李维斯公司（右图）
10 个获奖设计各不相同。大多数来自初创公司，一些起源于大学，还有一些是由包括亚马逊在内的大公司提交的。对于某些口罩，创新在于新材料。乔治城大学的一个参赛作品使用轻便、透气的金属泡沫，这种泡沫通过微小的孔隙过滤污染物。一家名为 4C Air 的初创公司创造了一种半透明过滤器，使其 BreSafe 透明口罩成为透明的。其他参赛者则尝试了新的制造和贴合方法。牛仔裤制造商李维斯开发了一种低成本的呼吸器设计，该公司表示任何服装生产商都可以制造，而初创公司 Air Flo Labs 使用三维面部扫描来确保其 Flo Mask Pro 能够根据佩戴者的脸型量身定制。一些参赛作品通过重新思考设计元素而取得突破。其中包括初创公司 Air99 的 Airgami 口罩，该口罩采用了类似折纸的折叠方式，将口罩的过滤器铺展到更大的表面积上，从而更容易呼吸。
但利波德和她的团队并没有止步于此。最初这组获奖者被指定为竞赛的第一阶段，需要几个月的时间来设计第二阶段的新结构。“我们不只是想让第二阶段成为与第一阶段类似的练习。我们真的想创造一些能够满足创新者需求的东西，”利波德解释说。“我们通过随着时间的推移与[公众]和小企业互动来做到这一点，只是为了真正了解他们需要什么。”
乔治城大学的参赛作品使用金属泡沫作为其过滤材料。图片来源：James Malloy/Christopher Jensen/MacCallum Robertson/Kai Liu
对于第二阶段，DRIVe 重新开放了竞赛：第一阶段的获奖者可以重新申请，新的参赛者也可以申请——而且这次的性能标准要高得多。“我们以一种真正推动创新者实现其产品的革命性变化的方式构建了它，”利波德说。“我们不是在寻求渐进式的改进。我们正在寻找真正能够推动行业进步的东西。”在这一阶段，DRIVe 团队与两个政府组织——国家职业安全与健康研究所 (NIOSH) 和国家标准与技术研究所合作，对参赛作品的过滤效率、透气性和贴合性进行了反复的实验室测试。
然后，这些组织将结果提供给参赛者，让他们有机会改进和完善自己的设计。“我从决赛入围者那里得到了非常积极的反馈，”美国国家标准与技术研究所的机械工程师和流体动力学家马修·斯特梅茨说。虽然 NIOSH 进行了定量测试，例如测量能够强行穿过材料并到达佩戴者的颗粒百分比，但斯特梅茨更侧重于定性测量。例如，使用一种使空气流动可见的成像技术，他记录了自己在未戴口罩或佩戴挑战赛参与者的原型口罩时呼吸、说话和咳嗽的情况。
美国国家标准与技术研究所的马修·斯特梅茨在戴口罩和不戴口罩的情况下咳嗽，同时使用成像技术可视化空气离开他嘴后的传播路径。 图片来源： M. Staymates/N. Hanacek/NIST
斯特梅茨还使用红外摄像机记录了自己，红外摄像机可以检测呼出的热空气，以展示口罩有多少面积在积极过滤他的呼吸。而且，他并不是唯一的实验对象：他还使用定制的人体模型测试了口罩，这些人造模型像真人一样“呼吸”，但会释放可见的雾气而不是透明的空气。“我喜欢这样做的地方在于，它提供了一个易于理解的视觉效果，证实了 NIOSH 定量数据所显示的结果，”斯特梅茨说。“而且这些[口罩原型]非常棒。它们大约可以阻挡 98%、99% 从人体模型中喷出的飞沫。”
本周，BARDA 公布了第二阶段的 10 名决赛入围者。在第一阶段的 10 名获奖者中，只有前面描述的 5 名进入了最终名单。五名新的决赛入围者包括三种透明或半透明的设计：ClearMask、CrystalGuard 和 Matregenix Mask。还有无带 ReadiMask，它使用专为皮肤设计的粘合剂直接粘附在佩戴者的脸上，从而避免空气泄漏和起雾。第五位新的决赛入围者是智能、个性化、近面部、长时佩戴 (SINEW) 口罩，它甚至不会接触到面部。相反，它使用静电力来防止颗粒靠近佩戴者的鼻子和嘴巴。
包括 ClearMask（左图）和 BreSafe（右图）在内的几位决赛入围者创造了透明或半透明的面罩，这些面罩使人们更容易解读面部表情，而不会牺牲过滤效果。图片来源：ClearMask, LLC（左图）；4C Air Inc（右图）
利波德说，这些决赛入围者将在 9 月份进行最后一轮测试。DRIVe 团队将在 10 月份宣布两位获奖者，他们每人将获得 15 万美元，以及两位亚军，他们每人将获得 5 万美元。但利波德已经认为这次挑战赛取得了成功。“在某种程度上，我们已经实现了我们的目标，即帮助创建一个志同道合的创新者社区，他们只是想帮助其他人，”她说。“这在某种程度上是一个不言而喻的目标。但我们想帮助激发和支持真正新颖的设计的加速发展，我认为我们在第一阶段实现了这一目标。”
她对下一阶段的理想结果是帮助决赛入围者获得监管许可，例如 NIOSH 的 N95 认证或食品和药物管理局的批准。“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的产生，”利波德补充道。
无带 ReadiMask 直接粘附在佩戴者的皮肤上。图片来源：John Schwind/Global Safety First, LLC
弗吉尼亚理工大学的气溶胶专家林赛·马尔说：“口罩创新挑战赛有利于激发新的设计和创新，并让新的人员参与思考如何制造优质的 N95 口罩。”她没有参与这次竞赛。“我们希望让人们尽可能容易地佩戴优质口罩，因为口罩是我们可用于预防 COVID-19 和其他疾病的最简单、最快速、最便宜的工具之一。而且它们不针对任何特定变体——它们对所有变体都有效。”