针对新型冠状病毒肺炎防护口罩改良改进

俞嵇鹏 赖红波

摘要：由于新型冠状病毒肺炎疫情的迅速发展和扩散，对防疫用品的各类需求激增，口罩类的个人医疗防护用品被大量使用，但在使用口罩应对新型冠状病毒肺炎疫情的过程中也存在一些不必要的问题和风险。针对这一现状，对现有的空气过滤式口罩进行了采用模块化设计的低成本改良设计。

关键词：新型冠状病毒肺炎疫情 医疗用品 口罩 改良设计

中国分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 03-0075-03

引言

新型冠状病毒肺炎疫情背景再结合本专业，对普通人在各类口罩的使用中发生的种种问题展开探讨。由于口罩是一种廉价但有效的医疗卫生产品，受众广需求高，所以希望在维持低成本且不太增加产品复杂度的情况下去规避一些不必要的卫生风险，提高各类口罩使用的安全性和效率，做出了几种针对口罩的改良设计，并且提出了一种能够包含上述几种情况的，基于模块化设计的口罩改良方案。

一、目前现有备类口罩的介绍及分析

（一）口罩的概念和设计：从大类上来说，口罩分為自吸过滤式口罩和供气式口罩两种[1]。从概念上说，口罩是一种卫生用品（呼吸防护用品），一般指戴在口鼻部位用于过滤进入口鼻的空气，以达到阻挡有害的气体、气味、飞沫进出佩戴者口鼻的用具。口罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用，在呼吸道传染病流行时，在粉尘等污染的环境中作业时，佩戴口罩具有非常好的防护作用。考虑到大部分普通人的使用场景，所以将重点聚焦在普遍使用的空气过滤式口罩的再设计上。

因为本次新型冠状病毒是通过黏膜感染，空气传播，这也是最高效的新型冠状病毒传播方式之一。由于喷嚏、咳嗽，甚至是交谈这样的行为都会产生大量的飞沫进入空气，而这些飞沫会快速蒸发干燥变成充斥在空气的飞沫核，飞沫核的扩散范围往往会达到数米。飞沫核中的上皮细胞裹挟着大量冠状病毒再次附着到其他人的黏膜组织上，进入人体内。通过这个机制，新型冠状病毒就如现实中所发生的一样不断传播开来。

口罩材料中拥有的复杂纤维结构可以有效地吸附空气中大的颗粒，而纳米级的微小颗粒又会因为复杂纤维结构之间的静电效应被锁定在纤维结构中。而本次新型冠状病毒的传播方式——飞沫核的直径84%集中在0.74-2.12微米的范围内[1]。

通常情况下，会使用对直径0.3微米氯化钠颗粒的过滤能力来测试口罩的护等级[2]。而能对0.3微米氯化钠颗粒进行950玷过滤的就是N95口罩，幸运的是，对微粒过滤能力最差的纱布口罩也可以对10微米的颗粒达到800k的防护率。

此外，按照不同系列的口罩分类有：

N系列，防护非油性悬浮颗粒无时限，现阶段最被人所关注的口罩类型，如图1。

R系列：防护非油性悬浮颗粒及汗油由性悬浮颗粒时限八小时，如图2。

P系列：防护非油性悬浮颗粒及汗油性悬浮颗粒无时限，如图3。

（二）对口罩的不同使用人群的分析：根据对本次新型冠状病毒肺炎疫情的传播途径及媒介的分析，所以从表1就可以看出，以武汉的所在地湖北省为中心，可以得到一个距离湖北省远近距离依次减弱的感染人数情况的省市分布图。

得益于近年来中国社会经济的飞速发展和交通条件的便利，诸如上海、北京等拥有大量人口和交通枢纽的人口流动频繁的特大型城市，感染人数也会有别于周围地区[3]。

因为新型冠状病毒通过空气传播，所以凡是人与人之间的互动都有潜在的风险。尽管各类口罩的使用都非常广泛，并且使用方式方法多变，时间灵活，但其中也存在不少人为的问题和不合理的地方，但自吸过滤式口罩的使用逻辑是一致的，因而，从逻辑上为口罩的合理使用找到方法，是一种合理的选择，由此出发，思考了几种口罩使用的典型情况。

二、口罩使用场景和新型冠状病毒肺炎疫情下的隐患

（一）现有的口罩使用场景：因为身处事件之中，所以可以快速建立一个感性的生活场景来发现口罩使用的具体情况，再结合对周围人群的采样分析，可以发现大部分普通人在这段时间的生活中与口罩有关的情况，大致分成了以下几类：

1.生存需要：尽管各种信息传播渠道都在告知要尽量避免暴露在公共空间中，但对于热量的获取仍是不可避免的，况且现代物流体系并非完全部署，诸如超市、市场、农副产品交易场所仍是大众需要定期前往采购的重要场所，活动时间通常为1-2小时。因为居住地距离这些场所的远近不同，进出频率也会有所不同。在现在的宣传环境下，口罩对于以家庭为单位的中国家庭来说是必要的象征“安全”的符号，但这个符号并不代表所佩戴的口罩本身具有隔绝新型冠状病毒的有效性。面对这样的情况，是公众心理安全的优先级更高还是个人生理安全的优先级更高，就成了这个有效口罩短缺期的隐患。

2.社区工作：因为物理隔离是应对本次新型冠状病毒疫情的有效手段，所以有大量社区动员了大量志愿者，参与区域的交通管制等多项行动。这些志愿者按照周期交替的排班形式轮替值班，存在长时间暴露在感染源的风险，所佩戴的口罩也会被使用者本人的分泌物污染，长时间使用易滋生微生物。而志愿者本身会因为受教育程度、获取防疫资源的不同和“防疫前线”心理的影响，产生一种对抗新型冠状病毒的情绪，而这种情绪会演变成“免疫病毒”的情绪，会使一部分志愿者对自己使用的物品产生移情，即同样的“免疫病毒”自信，在一些极端的情况下，会将自己使用过的物品转送他人，反映在口罩上就是基于口罩交叉感染的可能性。尽管目前有抗菌形的口罩供应，但灵活性不够，不能作为样板参考。

但最根本的原因在于抗菌口罩的生产效率无法在短期内迅速提升，并且抗菌的能力也不能完全适应当前的新型冠状病毒肺炎疫情形式，对于接触传播的防护依旧是不足的，所以此改良设计的重点在于口罩的分开专门使用，从传播路径上降低风险。

3.物流需求：尽管目前是非常时期，但物资的流通仍是必要且不能停止的。在这个过程中，不同层级的物资和人员流通是密集并且常常存在密切接触的行为，这为新型冠状病毒的传播创造了极佳的条件，同时也存在着交叉感染的风险。由于体力劳动不仅会产生大量热量和体液，外力的作用也会导致口罩的形变，不能充分贴合口鼻部，使口罩密封性降低，防护功能变差。目前这个问题并没有好的解决方法，最直接的改进方法是增加口罩的面积和覆盖面部的容积，但这势必需要改变目前的口罩生产流程，且面对的受众和解决的问题过于狭窄，缺乏灵活性。

（二）新型冠状病毒肺炎疫情下暴露的隐患：尽管不同自吸过滤式口罩对微粒的过滤能力不同，但在现实生活中佩戴普通医疗口罩与N95口罩对流感的感染率之间没有明显差别，所以口罩的类型、品牌和标准只是肺炎防护的一个环节，并不是问题的核心。而口罩使用的其他环节同样也存在了大量问题，如肢体对口罩的接触。新型冠状病毒可以在玻璃、塑料、金属上可以存活至少两天[4]，如果手上沾染了新型冠状病毒的微粒，新型冠状病毒有极大的可能依旧存活着，当沾有冠状病毒的肢体接触到拥有丰富上皮黏膜的部位，例如鼻腔黏膜组织时，就会进入黏膜细胞，造成感染。普通人每天不可避免地要使用手，结合现实问题，要尽可能避免手与口罩表面的接触，从而阻断传染途径，所以，如果能够针对这个问题进行优化，便可以在对新型冠状病毒的防护上起到一定作用。

三、新型冠状病毒肺炎疫情下口罩使用中发现的问题

（一）针对新型冠状病毒肺炎疫情防控下口罩的有效使用：常见的N95口罩有可重复使用和免保养的型号，而这些口罩在使用后通常是存在数小时的有效期限的，对空气的过滤能力会随时间推移不断减弱，但在外观上没有明显变化，不能靠肉眼分辨，存在失效后复用的风险[5]，目前仅能依靠个人的经验和记忆来判断一个口罩的有效性，很难形成量化的指标。尽管目前全国动员防疫，各类口罩的生产分配属于工业化的高效率的规模经济，但在使用阶段并没有进入高效的模式，依旧依靠传统的方式来认知行动。在目前这个生产能力提升缓慢的，基础防疫设备依旧短缺的情况下，只能从用户端解决问题，帮助人发挥主观能动性是本次改良设计解决问题的基础。

（二）新型冠状病毒肺炎疫情背景下口罩的交叉使用：在目前这个阶段，一般的家庭用户会有各式口罩的储备，但数量不多。在使用习惯上，根据观察，一般家庭的口罩使用时间通常不长，使用情况也如上文所述的三种，这里就不再赘述。使用后通常会对使用过的口罩进行储存，以便短期内的再次使用，但不能排除家庭成员间的混用，通常是由于外观相似导致的误用，而粘黏在口罩表面的气溶胶微粒如果包含有害微粒也是不能忽视的风险。交叉感染的根本原因在于人作为社会性动物的本能，人本能的社交行为在很大程度上是不能进行压制的，而是要引导这种动物本能来更好地为口罩改良设计服务，这里要依靠第一性原理来发现问题的根本，从人的本能反应出发。

（三）针对新型冠状病毒肺炎疫情可复用口罩的清洁问题：因为大型群体事件的社会惯性和群体效应[6]，公众会在舆论的影响下购买可复用及清洗后可重复使用的口罩，却不知道如何正确使用此类口罩，而且往往会被“复用”误导，仅依靠字面意思和个人生活经验来判断，认为该口罩可以长期使用。但即使是可复用口罩也存在有效使用期限，并且其对空气的过滤效果清洗后会下降。更重要的是，这样的行为会被模仿。在信息渠道复杂到超出人的认知能力的情况下，人会本能地模仿周围人的行为，且这种模仿具有传播性，在传播过程中又往往会被改变，但却变成一种被认可的概念，反映在口罩上就会变成“任何口罩水洗后依旧可长期使用”，但事实上很多公众储存的口罩并不能进行清洗，这样的认知会导致很多失效的口罩被反复使用，大大降低口罩的防护功能。

四、针对新型冠状病毒肺炎防护现状的设计

（一）针对口罩有效使用时间的改良：这个设计改良是基于人的生理特征，尝试解决提到的第一个具体问题，并结合口罩作为呼吸防护设备的原理来改良。因为人呼吸的过程中所呼出的气体中存在水分，而水分子在遇到某些特定的物質，如湿敏变色油墨[7]材料时，如图4，油墨的表面会有颜色上的改变，而这种改变就是改良的关键。值得注意的是，大部分的湿敏变色油墨无毒性，且在常温下不会挥发而被人体吸入，安全风险低。湿敏变色油墨已是成熟产品，单位价格属于可接受的范围，但是要选择湿度反应时间与口罩使用寿命大致一致的材料，以实现基本的指示功能。为了更好地提高使用效率，可以在口罩的表面设置一个拥有呼吸阀功能的小型试剂盒，试剂盒中填充湿敏变色油墨，保证试剂在用户呼出气体时发生反应，并设置视窗，以便观察试剂，试剂盒表面印刷渐变色条代表口罩的使用阶段，来显示有效使用时间。

为了更好地描述这个改良设计，笔者会依次对应各个部分的功能：

1.口罩本身：提供呼吸防护功能，可以根据具体使用情况调整材料;

2.集成湿敏变色油墨的呼吸阀：在呼吸阀的基础上增加指示口罩使用时间的功能。

3.和湿敏变色油墨反应颜色一致的带渐变颜色的印刷色条：更精确地反映口罩的使用时间和大致寿命，降低用户的“时间焦虑”。

（二）针对口罩的交叉使用的改良

针对这个问题，可以在口罩上设置一个色块贴片，贴片上印刷不同颜色，并在口罩束缚带上增加—次性黏结点，并将口罩束缚带与色块贴片相互黏结，当使用者第—次使用时，必须将绑带从色块上取下，引导使用者去记忆这个颜色[8]。从设计心理学的角度来说，将口罩的束缚带揭下这个动作有一种“打开”的暗示，暗示使用者得到了授权，也就将这个口罩变成一个人使用的物品，凸显“私人化”，而黏结点的黏结剂可以使用接触空气后易反应失去黏结性的材料，来显示口罩的“一次性”，引导使用者在使用后迅速处理。而着改良与针对使用时间的改良相结合，就可以在一定程度上提高口罩的使用效率。

（三）针对可复用口罩的清洁问题的改良：解决清洁问题的逻辑与解决使用时间问题的逻辑大致相似，但在这个情况下要设置两种试剂盒，一种是针对有效使用时间的试剂盒（A盒），另一种是针对清洗情况的试剂盒（B盒）。B盒填充一种比A盒反应性质更钝的湿敏变色油墨，来适应大量遇水的情况，并且在晾晒过后颜色不可逆，以保证使用过程记录的准确性。此外，A盒还需要在口罩上设置可摘除的密封框架，并在清洗时将A盒摘下，清洁晾晒结束后重新装入。由此可以对这个设计进行扩展，得到一个扩展的概念。

存在一个自吸过滤式的口罩框架，这个框架除了附着不同材料系列的口罩面料，还包含一个或多个用于放置不同功能盒的密封框架，而框架相对应的是可拆卸的各类功能盒，通过填充不同的材料盒实现功能，如提供使用寿命指示功能盒，清洗寿命指示功能盒，微生物情况指示功能盒，根据具体的情况来选择生产部署不同的类型，这样在非极端情况下便可以迅速灵活地针对不同人群、环节、使用方式来进行防护。上文所列举的几种问题在这个扩展概念下都可以被覆盖，而更多的情况就需要发挥主观能动性，由于缺乏实践经验就不猜测了。

（四）概念设计的概念展示：为了更好地展示和解释口罩的整体改良设计，制作了改良口罩的概念图，如图5，借助概念图可以更加直观地理解改良设计的目的。

在概念图中也标注了关键组件，如序号①为阻挡微粒的复合口罩面料，是发挥口罩基本功能的基础组成部分，表面也设计了可以调节口罩张开大小的褶皱，并保证了有效的容积，序号⑤是起固定和增加口罩贴合性的橡胶支架，序号①的口罩复合面料利用扣件固定在橡胶支架上，橡胶材质的高分子特性和韧性可以起到密封的作用，橡胶材质柔软，适应长期佩戴;在口罩的上下边沿均进行了设置，可以保证口罩在某些动作导致变形的情况下依然能覆盖大部分鼻部和口部;序号②是固定序号③湿敏油墨指示盒的橡胶固定架，在固定架上设计了豁口，方便取出湿敏油墨指示盒，而湿敏油墨指示盒上不仅设置了U形的指示窗口，也在指示盒表面印刷了序号⑥口罩使用寿命指示条，通过对比U形指示窗口与使用寿命指示条的颜色对比可以判断口罩的使用情况，解决使用时间焦虑的问题;序号④在这个模块化设计概念口罩中配备的是微生物富集程度指示盒，使用逻辑和湿敏油墨指示盒的一致，就不再赘述。

序号总结：①复合口罩面料②指示盒的橡胶固定架③湿敏油墨指示盒④微生物富集程度指示盒⑤橡胶支架⑥口罩使用寿命指示条

另外，为了直观地展示防止交叉使用的设计，制作了概念图7来辅助表达。

图6的改良设计口罩概念图在与图5的概念图大体一致，主要区别在干配备了引导使用指示设计。序号①为安装在口罩束缚带上的色块，序号②为安装在口罩复合面料上的色块，色块之间凹凸配合，保证在未开封使用时不会松动，色块上附着黏结剂，黏结剂在色块的凹凸配合被打开后失去黏结作用，实现口罩的个人化单独使用。色块的颜色多变，但使用明度较高的颜色以及尽量避免重色。当使用者从包装中取出改良设计口罩后，需要将固定在口罩上的束缚带摘下，而束缚带和面材上的色块相互叠加黏结，需摘除2次，会看见3次色块。通过这样的3次颜色暗示，可以让使用者产生颜色的记忆，而高明度、高饱和度的颜色也可以加深这—种暗示。

序号总结：①束缚带上色块②面材上色块

以上展示的两张概念图整合了本次概念设计的3个方向和衍生出的模块化设计，解释了各个组件的功能，以及部分使用方法，但还需要一个具体使用场景的描述：

当使用者需要离开住处前往市场采购生活必需品前，需要从包装盒中取出改良设计的口罩，而此包装盒所包含的是分开包装的组件，使用者通过对自身面部形态的分析、前往的市场即可能需要的时长，对照产品包装盒上印刷的不同面部的推荐组件，取出合适标号的橡胶框架、配备引导色块的复合面材、湿敏油墨指示盒、微生物富集程度指示盒，在安装图示的提示下将各个组件安装完毕，摘下固定的引导色块，色块为明亮的绿色，在调整好面材的褶皱后，利用束缚带将其在面部固定好，即完成了离开住处前的准备工作。同样的，在外出行动结束后，使用者正确取下口罩，观察到湿敏油墨指示盒提示口罩还有一半的使用时长，对口罩进行妥善保存，以便下次使用。

而整个改良设计的最大问题在于对使用者的教育，不仅要引导使用者正确地使用产品本身，还要教育使用者对本次新型冠状病毒肺炎疫情的警惕和关注，要抛弃侥幸心理，按照现代化的方式去认识问题，处理问题。口罩仅仅是整个教育环节的—小部分，只有整个社会的认知水平达到了一定水平，很多设计中的问题才能从器物层面解放出来，发挥更大的价值，来为人类社会服务。

结论

当然不得不承认，这种改良设计只能解决这一类口罩在普通人使用中可能遇到问题，会存在应用效益的边界问题，但笔者依旧希望通过做一些微小的思考来为抗击新型冠状病毒肺炎疫情做一些努力。由于专业的限制和个人能力的边界，对于整场事件的更专业的分析实在无法有所帮助，但能够将公众的感染风险降低哪怕一点点都是莫大的荣幸，更重要的是在危机中保障社会的稳定运行。

最后，我们已经知道了新型冠状病毒的生物特征。传播感染的方式、临床表现和统计学上的致死概率，对于现代人来说，在工业社会的加持下，这不再是不可名状的可怕魔鬼，而是可以通过科学的方式方法解决的问题。这种能力建立在工业革命带来的生产力进步之上，没有完善的现代社会体系就无法为现代人提供必要的生活资料，所以，所有在危机中依旧奋斗在一线努力维持社会运转的人部是英雄，是这个时代的楷模。.

基金项目：2020年上海市大学生创新创业训练计划项目（新技术背景下上海文化产业发展调研与创新路径研究）;2019年上海市政府发展研究中心“基于互联网+的上海创新发展”研究基地课题”上海人工智能与实体经济融合发展：机理、路径与政策研究”;2019年上海教委高校智库内涵建设项目：“人工智能+”背景下设计引领智能制造转型升级研究（编号：2019宣传1-2-60）。

参考文献

[1]口罩分类及原理介绍[J]标准生活，2016 （02）：18_23

[2] SHINHAO YANG，1 GRACE W. M. LEE.2 CHENG-MIN CHEN，2 CHIH-CHENG WU，2and KUO_PIN YU2 The Size and Concentration of Droplets Generated byCoughingin Human Subjects DOI： 101089/jam.2007.0610

[3]中国疾病预防控制中心《2019新型冠状病毒疫隋进展和风险评估》http： //wwwchinacdc.cn/yyrdgz/20200ifP020200128523354919292.pdf

[4]李敬云，鲍作义，刘思扬，庄道民，刘永健，张文福，蒋丽SARS病毒在外界环境物品中生存和抵抗能力的研究1001-7658 （2003） 06011002

[5]刘博羽，沈国锋，陶澍基于呼吸实境模拟的口罩防护效果影响因素研究[J]生态环境学报，2019，28 （04）：786-794.

[6]齊晔，陈刘欢，张栗，杨瑛莹，詹思怡，傅传喜新型冠状病毒感染肺炎的公众认知、态度和行为研究[J/OL]热带医学杂志：1-12[20200204]https： //kns-cnki-net.webvpnusst.edu cn/kcms/detail/441503R202002041114.002 html

[7]汪珊珊.浅谈功能性油墨[J]印刷杂志，2017 （12）：26-28

[8]张明，王爱君，李毕琴，et al颜色凸显条件下基于工作记忆内容的视觉注意[J]心理科学，2013 （6）：1307-1311