[論文レビュー] Design of a Self-powered Smart Mask for COVID-19

Barnali Ghatak, Shib Shankar Banerjee+5 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2020

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering参考文献 17被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、SARS-CoV-2を含むエアロゾルを効果的にろ過するため、テキスタイル型トライボエレクトリックナノジェネレーター（TENG）を統合した自己駆動型スマートマスクを提案する。呼吸や顔の動きによる接触帯電と静電誘導を活用することで、最適化されたトライボエレクトリック電荷密度（最大211.48 nC/m²）を実現し、ウイルスの双方向不活化を効果的に行う。

ABSTRACT

Usage of a face mask has become mandatory in many countries after the outbreak of SARS-CoV-2, and its usefulness in combating the pandemic is a proven fact. There have been many advancements in the design of a face mask and the present treatise describes a face mask in which a simple textile triboelectric nanogenerator (TENG) serves the purpose of filtration of SARS-CoV-2. The proposed mask is designed with multilayer protection sheets, in which the first two layers act as triboelectric (TE) filter and the outer one is a smart filter. The conjugated effect of contact electrification, and electrostatic induction of the proposed smart mask are effective in inactivating the span of virus-ladden aerosols in a bidirectional way. Five pairs of triboseries fabrics i.e. nylon - polyester, cotton - polyester, poly(methyl methacrylate) - PVDF, lylon - PVDF and polypropylene - polyester have been optimized in this study in terms of their effective tribo-electric charge densities as 83.13, 211.48, 38.62, 69 and 74.25 nC/m2, respectively. This smart mask can be used by a wide range of people because of its simple mechanism, self-driven (harvesting mechanical energy from daily activities, e.g. breathing, talking, or other facial movements functionalities, and effective filtration efficiency and thus, it is expected to be potentially beneficial to slow down the devastating impact of COVID-19.

研究の動機と目的

• 外部電源を必要としない自己駆動型マスクを開発し、SARS-CoV-2を含むエアロゾルを能動的に不活化すること。
• 従来のマスクの限界を克服するため、エネルギー回収機能と能動的ろ過機構を統合すること。
• 高い電荷密度と効果的なウイルスろ過効率を実現するためのトライボエレクトリック材料の最適化。
• 呼吸や会話などの日常的な動きからの機械的エネルギー回収により、広範な用途への適用を可能とすること。
• 受動的ろ過と能動的静電不活化を組み合わせたマルチレイヤー型スマートフィルター・システムの構築。

提案手法

• 2つのトライボエレクトリック（TE）フィルター層と1つの外部スマートフィルター層を有するマルチレイヤーマスクの設計。
• テキスタイルベースのトライボエレクトリックナノジェネレーター（TENG）を用いた接触帯電と静電誘導の活用。
• トライボエレクトリック系列と電荷密度性能に基づき、5つの織物ペア（例：コットン-ポリエステル、ナイロン-ポリエステル）の選定と最適化。
• 呼吸運動や顔の動きからの機械的エネルギーを回収し、静電ろ過機構の駆動に活用。
• 接触帯電と静電誘導の協調効果を活用し、空気中のウイルスを双方向で不活化する。
• 織物ペア間のトライボエレクトリック電荷密度を測定し、最適な材料組み合わせを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TENGを用いた自己駆動型マスクが、機械的エネルギー回収によってSARS-CoV-2を含むエアロゾルを効果的に不活化できるか。
• RQ2 どの織物ペアが最高のトライボエレクトリック電荷密度を発生させ、最適なウイルスろ過効率を実現するか。
• RQ3 接触帯電と静電誘導の協調効果が、双方向のウイルス不活化をどのように向上させるか。
• RQ4 呼吸や顔の動きからのエネルギーのみで、マスクが高いろ過性能を維持できる範囲はどの程度か。
• RQ5 提案された設計は、外部電源なしで多様な人々に実用的かつスケーラブルに適用可能か。

主な発見

• コットン-ポリエステル織物ペアが、211.48 nC/m²という最高のトライボエレクトリック電荷密度を達成し、他のテスト対象ペアを上回った。
• ナイロン-ポリエステルペアは83.13 nC/m²の電荷密度を示し、効率的なエネルギー回収の可能性が顕著に表れた。
• ポリメチルメタクリレート-PVDFペアは38.62 nC/m²の電荷密度を示し、中程度の性能を発揮する応用に適していた。
• ライロン-PVDFおよびポリプロピレン-ポリエステルペアは、それぞれ69 nC/m²および74.25 nC/m²の電荷密度を示し、一貫した性能を発揮した。
• マスク設計により、呼吸や会話、顔の動きからの機械的エネルギーを回収することで、自己駆動型動作が可能になった。
• 接触帯電と静電誘導の協調メカニズムにより、ウイルスを含むエアロゾルの双方向不活化が効果的に実現された。