[論文レビュー] The Smart Mask: Active Closed-Loop Protection against Airborne Pathogens

Masna Nvr, Kalavakonda Rr+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、粒子状物質センサーを用いて空中の病原体をリアルタイムで検出するとともに、圧電ミスト発生装置を用いて粒子を荷電・加速させ、その沈降を促進することで、病原体を能動的に低減するアクティブでクローズド・ループ型スマートマスクを提案する。実験結果から、アクティブな状態の際、マスク周辺の時間平均PM濃度が約40％低減していることが示され、受動的ろ過をはるかに上回る空中病原体低減効果が確認された。

ABSTRACT

Face masks provide effective, easy-to-use, and low-cost protection against airborne pathogens or infectious agents, including SARS-CoV-2. There is a wide variety of face masks available on the market for various applications, but they are all passive in nature, i.e., simply act as air filters for the nasal passage and/or mouth. In this paper, we present a new "active mask" paradigm, in which the wearable device is equipped with smart sensors and actuators to both detect the presence of airborne pathogens in real time and take appropriate action to mitigate the threat. The proposed approach is based on a closed-loop control system that senses airborne particles of different sizes close to the mask and then makes intelligent decisions to reduce their concentrations. This paper presents a specific implementation of this concept in which the on-board controller determines ambient air quality via a commercial particulate matter sensor, and if necessary activates a piezoelectric actuator that generates a mist spray to load these particles, thus causing them to fall to the ground. The proposed system communicates with the user via a smart phone application that provides various alerts, including notification of the need to recharge and/or decontaminate the mask prior to reuse. The application also enables a user to override the on-board control system and manually control the mist generator if necessary. Experimental results from a functional prototype demonstrate significant reduction in airborne particulate counts near the mask when the active protection system is enabled.

研究の動機と目的

• 受動的フェイスマスクが病原体をろ過するのみで能動的介入を行わないという限界を解決すること。
• 着用者の呼吸ゾーン近くの空中粒子を検出し、能動的にその濃度を低減するウェアラブルでスマートなマスクの開発。
• リアルタイムのセンサーフィードバックに基づいてミスト発生を適応的に制御するクローズド・ループ制御システムの実装。
• スマートフォンアプリによるユーザーインタラクションとシステム監視を可能にし、アラート、オーバーライド制御、メンテナンス通知を提供。
• スマートマスクプロトタイプの空中微粒子物質低減の可能性と性能を、マスク周辺での測定を通じて評価すること。

提案手法

• システムは、マスク周辺の環境空気質をリアルタイムでモニタリングする商用の粒子状物質（PM）センサーを用いる。
• PM濃度がしきい値を超えると、オンボードコントローラーが圧電アクチュエータを起動し、微細なミストを発生させ、空中の粒子を荷電・加速させ、沈降を促進する。
• ミスト発生は、粒子のサイズ分布や濃度といったセンサーデータに基づいて動的に調整され、低減効率を最適化する。
• マスクはBluetooth経由でスマートフォンアプリと接続され、センサーデータの送信、手動または自動制御モードの切り替え、充電や除菌のためのアラート送信が可能になる。
• 3Dプリンターで作製したプロトタイプには、密封された液体貯蔵タンク、トランスデューサー、および空気取り入れフィルターが統合されており、バッテリーやコントローラーは別個の外部ユニットに設置されている。
• システムは制御された環境下でテストされ、内部および外部のセンサーを用いて、ミストを発生させた場合としない場合のPM質量および数濃度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込みセンサーとアクチュエータを用いた能動的でクローズド・ループ型システムは、リアルタイムで空中病原体を検出し、低減可能か？
• RQ2 ミストを用いた粒子荷電法による粒子低減は、マスク周辺の空中PM濃度低減にどの程度効果的か？
• RQ3 スマートマスクは受動的マスクと比較して、時間平均PM濃度をどの程度低減するか？
• RQ4 スマートフォンベースの監視と制御の統合は、ユーザビリティと安全性をどの程度向上させるか？
• RQ5 このようなスマートマスクを大規模生産可能にするために、どのような主な設計的トレードオフとコスト要因が生じるか？

主な発見

• 内部センサーによる測定結果から、アクティブ保護システムを有効化した際、マスク周辺の時間平均PM濃度が約40％低減した。
• 外部PMセンサーでは、マスクがアクティブな際、0.3–1.0 μm範囲の粒子で質量濃度が63％増加、数濃度が62％増加した。これは、粒子の荷電と沈着が効果的に実施されたことを確認している。
• マスクをオンにした際、1.0–2.5 μm範囲の粒子では、質量濃度が60％増加、数濃度が50％増加した。これは、粒子の荷電が成功したことを示している。
• スマートフォンアプリは、リアルタイムでのデータ可視化、除菌・充電のためのアラート生成、および手動／自動モードの切り替えを正常に実行できた。
• プロトタイプのメカニカルデザインは再利用を可能としており、大量生産に適した射出成形を用いる場合、単位コストは約25ドルで推定される。
• システムは、粒子の動的挙動を能動的に操作することで、着用者周辺の空中粒子濃度を効果的に低減し、受動的ろ過に比べ顕著な改善を示している。