11 октября 2021 г 
Лидеры мыслиПрофессор Сын Хван КоПрофессор лаборатории прикладной нано-термической науки (ANTS)Сеульский национальный университет
В этом интервью News-Medical рассказывает профессору Сын Хван Ко о своем последнем исследовании, в котором он разработал маску для лица, которая может адаптироваться к вашим изменяющимся условиям и окружающей среде.
Люди привыкли носить маски для лица ежедневно из-за продолжающейся пандемии COVID-19. Что вдохновило ваше исследование масок для лица и как их можно адаптировать для лучшего использования?
Большинство изобретенных до сих пор масок для лица не обращают внимания на динамическое изменение состояния и среды пользователей. Вместо этого большинство масок для лица только что сосредоточились на повышении эффективности фильтрации. Однако, хотя сама маска обладает очень высокой эффективностью фильтрации, это не означает, что она удобна для пользователя (обычно высокоэффективный фильтр означает, что маску трудно дышать и она неудобна).
При определенных условиях другие компоненты важнее эффективности фильтрации. Например, в прошлом году я читал новостные статьи, в которых говорилось, что несколько учеников умерли во время занятий физкультурой во время ношения маски. Это может означать, что один тип маски фильтра не может должным образом реагировать на динамически меняющееся состояние пользователя, и поэтому пользователь должен носить различные типы маски лица и изменять их в зависимости от их физического спроса или изменения окружающей среды.
Мы попытались изобрести маску для лица с искусственным интеллектом, которая обнаруживает состояние пользователя (предсказует кратковременное изменение частоты дыхания с помощью ИИ) или обнаруживает изменение качества воздуха в окружающей среде и автоматически изменяет размер пор, изменяя компромисс между удобство и эффективность фильтрации.
Изображение предоставлено: Volurol / Shutterstock.com
Основная цель масок для лица — отфильтровывать вредные загрязнители. Как маски лица делают это?
Большинство готовых масок для лица используют тканевые воздушные фильтры, в которых очень тонкие (примерно в 10-100 раз тоньше человеческого волоса) волокна запутывают друг друга, образуя свободно упакованную губчатую пористую структуру. Когда воздушный поток проходит через сложную, переплетенную сеть крошечных воздушных туннелей, мелкие частицы в воздухе, которые мы называем загрязнителями, сталкиваются с волокнами и прилипают к ним. Так маски лица делают фильтрацию.
Наше изобретение также имеет один и тот же рабочий механизм с точки зрения фильтрации загрязняющих веществ, но сильно отличается тем, что позволяет динамически настраивать работу механизма.
Можете ли вы описать, как маски для лица часто разрабатываются и развиваются?
Еще два года назад это правда, что не было большого интереса к маскам для лица, потому что маски были просто санитарным продуктом, который находился на окраине нашей обычной жизни. Однако глобальная пандемия COVID-19 изменила ситуацию.
За последний год и даже сегодня делаются бесчисленные отчеты о разработке новых, передовых форм масок для лица, в то время как большинство из них все еще полагаются на обычную технологию пассивной фильтрации воздуха. Насколько нам известно, наше изобретение является первым в истории разработкой «динамически настраиваемой маски для лица».
Многим людям неудобно маски для лица, особенно при тренировках. Почему это?
Когда люди носят маску, они находят маски неудобными, особенно при тренировках, потому что организму нужно больше кислорода и увеличивается частота дыхания. Однако маска обычно вызывает падение давления (или перепад давления) из-за присутствия фильтра.
Падение давления (или перепад давления) увеличивается больше для фильтра с более высокой эффективностью. Более высокое падение давления (или перепад давления) затрудняет дыхание пользователя и потребляет больше энергии (что делает пользователя неудобным).
Можете ли вы описать, как вы провели свое последнее исследование в разработке маски для лица, которая адаптируется к изменяющимся условиям?
Наша команда — это кооперативное объединение экспертов из различных областей техники, начиная от материаловедения, механики, электротехники и даже машинного интеллекта. Вот как мы смогли разработать работоспособную маску для лица с искусственным интеллектом, начиная с нуля.
Наша команда начала с разработки идеи архетипа, которая была немного расплывчатой, чтобы увидеть ее в первый раз. Тем не менее, хорошо обученные инженерные умы из разных аспектов позволили воплотить идею в материальную, убедительную сущность. В этом смысле, мы бы сказали, за успешным выполнением нашей работы стоит совместная междисциплинарная инженерия.
Изображение предоставлено: Адаптировано из ACS Nano 2021, DOI: 10.1021 / acsnano.1c06204
Как вы разработали свой динамический респиратор? Как этот воздушный фильтр работает в разных условиях?
Одна из поразительных особенностей нашего динамического респиратора заключается в том, что он может автоматически трансформировать свои характеристики фильтрации в соответствии с заданными обстоятельствами. Это означает, что система предназначена для «чувствия» среды, связанной с ее работой.
Связанные истории
- Серые иммунные реакции у жителей дома престарелых после полной вакцинации вакциной Pfizer-BioNTech COVID-19
- Исследование показывает, что вариант Delta SARS-CoV-2 не делает детей больнее, чем Alpha
- Исследование вакцины / миокардита израильского Pfizer COVID, 136 случаев из 5 миллионов
Таким образом, мы наделили систему чувствительностью, включив датчики. Датчик PM (частичнокислого вещества) используется для измерения того, сколько окружающего воздуха загрязнено, а барометры используются для определения дыхательной структуры пользователя, отражающей физическое состояние. Информация, полученная от датчиков, затем используется для обеспечения полной «ситуационной осведомленности» алгоритма ИИ, который затем генерирует динамическую настройку характеристик фильтрации для различных сценариев.
Какие преимущества принесет эта маска для лица людям по сравнению с другими доступными масками для лица?
Традиционная маска обычно имеет основную концепцию, согласно которой пользователи должны адаптироваться к маске (это означает, что пользователи должны нести неудобную ситуацию). Однако мы попытались изобрести новую концепцию, в которой маска адаптируется к состоянию пользователя и внешней среде.
Я думаю, что наша маска, управляемая ИИ, является первой демонстрацией, которая учитывает динамическое изменение спроса пользователя и условий окружающей среды, и она впервые меняет текущую направленность в масках с фильтров на людей (пользователей).
Какую роль сыграл искусственный интеллект (ИИ) в вашем исследовании?
В рамках этой работы мы пытались создать автоматический респиратор, который может плавно адаптироваться к отдельному пользователю, что требует высоко персонализированного операционного алгоритма; работа респиратор и алгоритм в переносном смысле распознают «характерные» переходы дыхательных паттернов конкретного пользователя.
Однако характеристика того, как происходит переход, например, различается у разных людей. Это делает разработку универсального алгоритма, который может быть выпущен для публики, чрезвычайно сложной задачей. В этом контексте мы решили разработать алгоритм ИИ, который изучает дыхательные характеристики отдельных пользователей, чтобы обеспечить «универсальную персонализацию», что невозможно при использовании обычных негибких алгоритмов.
Считаете ли вы, что если бы адаптируемые маски для лица были легко доступны, больше людей носили бы их регулярно, что потенциально уменьшило бы распространение COVID-19?
Основная мотивация маски, управляемой ИИ, исходила из моего личного опыта. Когда я иду в спортзал или бегаю трусцой, я испытываю сильное желание снять маску во время упражнений. Я также мог видеть, как многие люди убирают маску, используя работающий компьютер. Во время ситуации с COVID-19 во многих местах (в помещении или на улице) действует строгая политика ограничения на ношение маски.
Основная причина, по которой они не носят маску, заключается в том, что им может быть очень неудобно дышать во время ношения. Маски с искусственным интеллектом автоматически корректируют компромисс между эффективностью фильтрации и удобством, чтобы удовлетворить динамическое состояние пользователей и изменение окружающей среды. Ожидается, что адаптируемые маски для лица помогут большему количеству людей регулярно носить маски и потенциально уменьшат распространение COVID-19.
Изображение предоставлено: Drazen Zigic / Shutterstock.com
Какие дальнейшие исследования необходимо провести, прежде чем эти персонализированные маски для лица станут легкодоступными?
Миниатюризация маски и пролить свет на использование маски для лица на рынке. Технологические достижения часто имеют тенденцию скрывать саму технологию от нашего взгляда. Достаточно легкие, достаточно маленькие и, следовательно, забывающие технологии могут предложить чистую полезность самостоятельно, не отвлекая пользователя. Эта философия побуждает нашу команду открывать для себя различные варианты проектирования, чтобы минимизировать всю систему и улучшить взаимодействие с пользователем.
Каковы следующие шаги в вашем исследовании?
Вместе с миниатюризацией мы пытаемся обнаружить различные эластичные материалы, чтобы придать функциональность следующего уровня растягиваемому воздушному фильтру, одной из ключевых частей нашей системы. Например, мы можем изготовить воздушный фильтр, который может генерировать даже небольшое количество электроэнергии в результате механической модуляции воздушного фильтра.
Или мы можем сосредоточиться на самовосстанавливающихся материалах, чтобы повысить долговременное использование и механическую стабильность растягиваемого воздушного фильтра. Прежде всего, мы ожидаем активного сотрудничества с медицинскими экспертами со всех уголков мира для передачи наших технологий в отрасль.
Где читатели могут найти больше информации?
Более подробную информацию о умной маске для лица, управляемой ИИ, можно найти в недавней публикации
«Динамическая поровая модуляция растягиваемого воздушного фильтра для механически обработанной искусственной респираторной защиты», ACS Nano, в печати, 2021. [Doi / 10.1021 / acsnano.1c06204]
Дальнейшее связанное исследование нашей группы по прозрачному и повторно используемому фильтру можно найти в нашей предыдущей публикации «Фильтры высокой эффективности, прозрачности, многоразового использования и активности PM2.5 от Hierarchical Ag Nanowire Percolation Network», Nano Letters, 17, 4339-4346, 2017. [Doi / 10.1021 / acs.nanolett.7b01404]
О профессоре Сын Хван Ко
Сын Хван Ко — профессор лаборатории прикладных нано и термических наук (ANTS), факультет машиностроения.Сеульский национальный университет, Корея. До прихода в Сеульский национальный университет он был преподавателем в KAIST, Корея, с 2009 года. Он получил докторскую степень степень степень в области машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли в 2006 году.
Он работал постдоком в Калифорнийском университете в Беркли до 2009 года. В настоящее время его исследовательские интересы — это функциональные фильтры (переменный фильтр пор, прозрачный фильтр, многоразовый фильтр, растягиваемый фильтр, антибактериальный фильтр), носимая электроника, эластичная / гибкая электроника, технологии VR / AR.
