[논문 리뷰] The Smart Mask: Active Closed-Loop Protection against Airborne Pathogens

Masna Nvr, Kalavakonda Rr외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 15인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 미세먼지 센서를 사용해 실시간으로 공기 중 병원성 미생물을 감지하고, 피에조전기 스프레이 기반 분무기 시스템을 통해 입자를 가속화시켜 침강시키는 활성형, 피드백 제어 스마트 마스크를 제안한다. 실험 결과, 마스크가 활성화된 상태일 경우 마스크 주변의 시간 평균 미세먼지 농도가 약 40% 감소함을 확인하여 수동 여과 기술을 뛰어넘는 효과적인 공기 중 병원성 미생물 저감 효과를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수동 마스크가 병원성 미생물을 걸러내는 것 외에 능동적 조치를 취하지 못하는 한계를 해결하기 위해.
• wearer의 호흡 영역 근처의 공기 중 입자를 감지하고 능동적으로 농도를 낮추는 착용형 스마트 마스크를 개발하기 위해.
• 실시간 센서 피드백에 기반해 분무 생성을 적응적으로 조절하는 피드백 제어 시스템을 구현하기 위해.
• 스마트폰 애플리케이션을 통한 사용자 상호작용 및 시스템 모니터링을 가능하게 하여 경고, 수동 제어 모드 전환, 유지보수 알림을 제공하기 위해.
• 스마트 마스크 프로토타입이 마스크 주변의 공기 중 미세먼지 농도를 저감하는 데 있어 실현 가능성과 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 마스크 근처의 실시간 실내 공기 질을 모니터링하기 위해 상용 미세먼지(PM) 센서를 사용한다.
• PM 농도가 임계치를 초과하면 내장된 제어기가 피에조전기 액추에이터를 작동시켜 미세한 안개를 생성하여 공기 중 입자를 전하를 띠게 하고, 침강 속도를 높인다.
• 분무 생성은 입자 크기 분포 및 농도와 같은 센서 데이터에 기반해 동적으로 조절되어 최적의 저감 효율을 확보한다.
• 마스크는 블루투스를 통해 스마트폰 앱과 연동되어 센서 데이터 전송, 수동 또는 자동 제어 모드 전환, 충전 또는 소독 필요 알림 기능을 제공한다.
• 액체 저장 탱크, 트랜스듀서, 공기 흡입 필터를 포함한 밀폐된 구조의 3D 프린팅 프로토타입을 제작하였으며, 배터리 및 제어 장치는 별도의 외부 유닛에 장착되었다.
• 통제된 환경에서 시스템을 테스트하여 내부 및 외부 센서를 사용해 분무 기능을 켤 때와 끌 때의 PM 질량 농도 및 입자 수 농도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내장된 센서와 액추에이터를 사용해 실시간으로 공기 중 병원성 미생물을 감지하고 저감할 수 있는 능동형 피드백 제어 시스템이 가능한가?
• RQ2 입자에 분무를 이용한 전하 부여 방식이 마스크 주변의 공기 중 PM 농도를 얼마나 효과적으로 낮출 수 있는가?
• RQ3 수동 마스크에 비해 스마트 마스크가 시간 평균 PM 농도를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 스마트폰 기반 모니터링 및 제어 기능의 통합이 사용성과 안전성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 스마트 마스크의 대량 생산을 위한 주요 설계 상충 요소와 비용 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 내부 센서 측정 결과, 활성 보호 기능이 켜진 상태일 경우 마스크 주변의 시간 평균 PM 농도가 약 40% 감소함을 확인하였다.
• 외부 PM 센서는 마스크가 활성화된 동안 0.3–1.0 μm 범위에서 질량 농도가 63% 증가하고 입자 수 농도가 62% 증가함을 기록하여 효과적인 입자 전하 부여 및 침강이 이루어졌음을 확인하였다.
• 마스크가 켜졌을 때 1.0–2.5 μm 범위의 입자에 대해 질량 농도가 60% 증가하고 입자 수 농도가 50% 증가함을 관측하여 입자 전하 부여가 성공적으로 이루어졌음을 입증하였다.
• 스마트폰 애플리케이션은 실시간 데이터 시각화, 소독 또는 충전 필요 알림 생성, 수동/자동 모드 전환 제어를 성공적으로 구현하였다.
• 프로토타입의 기계적 설계는 재사용이 가능하며, 대량 생산을 위한 일체성 성형 공정을 사용할 경우 예상 제조 비용은 1단위당 약 $25이다.
• 시스템은 입자 운동을 능동적으로 조작함으로써 착용자 주변의 공기 중 입자 농도를 효과적으로 감소시켜 수동 여과 기술에 비해 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.