[论文解读] 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 19

一句话总结

本文提出一种自供能智能口罩，集成纺织摩擦电纳米发电机（TENG），以增强对携带SARS-CoV-2病毒气溶胶的过滤效果。通过利用呼吸和面部运动引起的接触起电与静电感应，该口罩实现了高效的双向病毒灭活，采用棉-聚酯织物对时，优化后的摩擦电荷密度最高达211.48 nC/m²。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需外部电源的自供能口罩，可主动灭活携带SARS-CoV-2的气溶胶。
• 通过集成能量收集与主动过滤机制，解决传统口罩的局限性。
• 优化摩擦电材料以实现高电荷密度和高效的病毒过滤性能。
• 通过从日常活动（如呼吸和说话）中收集机械能，实现广泛适用性。
• 提供多层智能过滤系统，结合被动过滤与主动静电灭活。

提出的方法

• 设计一种多层口罩，包含两层摩擦电（TE）过滤层和一层外层智能过滤层。
• 利用基于纺织材料的摩擦电纳米发电机（TENG）实现接触起电与静电感应。
• 根据摩擦电序和电荷密度性能，筛选并优化五种织物对（如棉-聚酯、尼龙-聚酯）。
• 从呼吸运动和面部运动中收集机械能，为静电过滤机制供电。
• 实施接触起电与静电感应的协同效应，实现对空气中病毒的双向灭活。
• 测量不同织物对之间的摩擦电荷密度，以识别最佳材料组合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过TENG实现自供能口罩，利用机械能收集有效灭活携带SARS-CoV-2的气溶胶？
• RQ2 哪些织物对能产生最高的摩擦电荷密度，以实现最优的病毒过滤效率？
• RQ3 接触起电与静电感应的协同效应如何增强病毒气溶胶的双向灭活？
• RQ4 该口罩在仅依赖日常面部运动和呼吸运动产生的能量下，能在多大程度上维持高效过滤性能？
• RQ5 所提出的结构设计是否可在无需外部电源的情况下实现实际规模化与广泛适用？

主要发现

• 棉-聚酯织物对实现了最高的摩擦电荷密度211.48 nC/m²，优于其他测试的织物对。
• 尼龙-聚酯织物对表现出83.13 nC/m²的电荷密度，显示出高效的能量收集潜力。
• 聚甲基丙烯酸甲酯-PVDF织物对表现出38.62 nC/m²的电荷密度，适用于中等性能应用。
• 莱赛尔-PVDF和聚丙烯-聚酯织物对分别实现了69 nC/m²和74.25 nC/m²的电荷密度，表现出一致的性能。
• 该口罩设计通过从呼吸、说话和面部运动中收集机械能，实现了自供能运行。
• 接触起电与静电感应的协同机制有效实现了对病毒气溶胶的双向灭活。