三维扫描黑科技产品——提供贴身舒适保护的儿童口罩

2021年 8月 27日

2020年8月。新冠肺炎依然肆虐,一场野火烧遍了美国西部大片区域。Kevin Ngo正在设计一款对他而言十分重要的产品,再过几周就能完成了。

经过两年的研发,Kevin的独特发明不仅可以保护他的三个孩子,还能保护其他小学生,免受病毒和空气污染的影响。快速精准的三维扫描技术正是Kevin此次重大项目Flo Mask口罩背后的重要技术。

Flo Mask口罩是新一代可反复使用的亚微米级过滤式儿童呼吸口罩。其优点在于它独特的过滤装置和量身定做的垫圈,由世界一流的产品设计师设计,完美贴合4-12岁儿童脸型。这些过滤装置在美国制造,能阻挡空气中0.1微米的颗粒。Nelson实验室的独立测试表明,Flo Mask口罩能阻挡99.8%的病毒,透气性是美国食品药品监督管理局标准的600%。

Kevin还利用为儿童设计的优质呼吸口罩技术,用于成人口罩设计。他参加了美国卫生与公众服务部-生物医学高级研究与发展局(BARDA)发起的口罩创新挑战:打造未来口罩。

这项挑战旨在为大众研发可大规模生产、且成本低廉的高效创意产品,以抵御呼吸道疾病病原体的入侵。Kevin的Air Flo实验室有限责任公司已入围决赛,争夺最终的现金大奖。下半年,最多五名获胜者将瓜分40万美元。

Flo Mask口罩的硅胶垫提供了不一样的舒适感,过滤装置十分独特,经Nelson实验室测试,透气性是美国食品药品监督管理局标准的600%。

源起

出现这一想法,主要是因为现有市场的缺陷。“我们有成人的N95口罩,防护性能很好,但是却没有适合儿童的好口罩,”Kevin说道。“讽刺的是,儿童是脆弱群体,竟没有办法防护。”Kevin一直在努力寻找一款能保护自己孩子的口罩,最终,他决定自己设计一款。

Flo Mask口罩项目于2018年夏天启动,当时,正是加州有史以来最严重的火灾季节。到了2020年,情况更糟了。

“小孩放学回家,感到恶心,严重头疼。学校甚至给我们发邮件说,即使家里有N95口罩,也不要给孩子戴,因为不合身,孩子还是会吸入有毒气体,”他说道。

为保护孩子免受空气污染和病毒影响而发明Flo Mask口罩的硅谷爸爸Kevin Ngo。

Kevin仔细研究了空气污染严重的国家为儿童提供的各种口罩,但没有一款符合他的期望。“我从世界各地买回各类儿童口罩。我们评估的口罩不是贴合性不好,就是不舒适,或者效果有问题。许多口罩是织物口罩,在过滤PM2.5颗粒方面没有任何作用,”他表示。

Kevin凭借自己的AR/VR领域的经验,非常清楚儿童优质口罩的开发离不开一项技术——三维扫描。Kevin尝试了几十个方案,但没有一款让他完全满意。不是采集的数据质量不佳,就是采集速度过慢。对这个项目而言,半毫米误差也不能容忍。

初步设想的Flo Mask口罩设计概念。

 “我找到Indicate Technologies,他们有一台埃太科三维扫描设备,“Kevin说道。“我那天休息,给他们打了电话,他们说可以过来看看。”

埃太科三维金牌授权合作商Indicate Technologies的加州办公室离Kevin家仅15分钟车程,他很快见到了公司的3D产品专家Márcio Adamy。Kevin向他介绍了项目难点,以及对三维扫描仪的要求(速度、分辨率、精度),Márcio也有孩子,同样受到严重空气污染的困扰,他很清楚,这一切难点都可以通过一项解决方案来击破,即Artec Eva。

便携式结构光三维扫描仪Artec Eva(精度:高达0.1毫米,分辨率:高达0.2毫米)

“我们向他证明Artec Eva可以为孩子脸部进行扫描,还教Kevin如何使用扫描仪与软件,还分享了一些提高扫描效率的技巧和方法,“Márcio说道。由于Kevin只需要周末时使用扫描仪,所以经商量,他可以在周末租用Artec Eva

Artec Eva是一款便携式三维扫描仪,采用结构光科技,对人体而言100%安全,适合快速扫描大中型物体,精度可达0.1毫米,分辨率可达0.2毫米(HD模式)。

“Márcio是位很棒的老师,整个培训只花了1小时,我就学会了,“Kevin说道。

Kevin用Artec Eva扫描自己的儿子。

在接下来的两周,Kevin在旧金山湾区来来回回,扫描了“自己认识的所有5-11岁儿童”。考虑到孩子鼻梁和鼻子大小不一,能搜集到各种3D数据,对本项目而言至关重要。所以,不同种族的孩子(亚裔、西班牙裔、美国非裔、高加索人)都进行了扫描,有了完整的头部扫描就能设计出不勒耳朵的带子。

每次头部扫描不到20秒,后期清理只需30秒。尽管起初他有所顾虑,但最后他确实不需要再购买Windows系统的电脑来运行Artec Studio。2015年的MacBook Pro加上Boot Camp就足以顺利处理扫描。

Kevin用Artec Eva为儿子首次完成的三维扫描,所有特征如实呈现。

“有一次,学校排了十几个孩子要扫描。Artec Studio的优势就在于,我可以之后再清理扫描,”他说道。“我只要把孩子头部后面的伪影切掉即可。清理噪点很容易。

Artec Studio处理后,每份扫描需要发送至Pro Engineer CAD软件。“准确对齐每份扫描后,找到适合各种脸型的形状。这些扫描几乎帮我们确定了90%的外形。之后,我们又进行了多次3D打印,在孩子身上测试效果,每次进行微调,逐渐制作出高分辨率的设计原型,”Kevin说道。

设计完美垫圈。

精益求精

项目进行至此,Kevin及其团队,也就是来自不同领域的专家朋友,需要继续完善设计。

“我们采用PolyJet打印技术,模拟硅胶材料的穿戴感受,并验证我们的设计,”Kevin说道。然后,团队找到生产工具。在共射成型阶段,液态硅橡胶被粘合至塑料部件上,形成整体,其中过滤装置开口处是空气颗粒唯一可以渗透的地方。

所以,Flo Mask的软垫可以完美勾勒出儿童的脸部轮廓,同时口罩不会贴在嘴唇上。可调节的绑带可以直接绕过耳后,上方的带子后面还加了橡胶垫,防止滑落。

Flo Mask团队经过几轮CAD设计、3D打印、测试,确定了最终适合儿童的口罩设计。

新一代过滤器

寻找合适的过滤器很难,为此Kevin几乎放弃了整个项目,毕竟过滤装置的透气性直接决定了口罩的成败。

通常,过滤装置由紧密编织的纤维组成,防止颗粒通过。更好的保护往往要牺牲透气性。“看起来还没有透气性良好的过滤器,但是最后,我在美国找到一家生产呼吸机过滤器的医疗公司,”Kevin说道。

Spunbond无纺布制成的呼吸机过滤装置在阻隔病毒方面效果很好,同时还能保持良好的透气性。“生产过程很不同,”Kevin解释道。“这种过滤装置不编织纤维,而是在上面打洞。这一过程会产生静电荷,在吸引有害微粒与病毒时非常有用。”

Flo Mask的一次性过滤装置可以持续使用8小时。“在烟雾弥漫的环境中,过滤器的损耗更重,所以要尽早更换,”Kevin解释道。“如果只是戴着口罩去杂货店,那用几天也没问题。口罩其余部分可以用水和肥皂清洗,一小时内就会干。”

清洗Flo Mask同样相当简单。

用户反馈

“我还没找到脸型不符合的小孩,”Kevin说道。“我们扫描了5-11岁的儿童,得到的脸型确实质量很高,年龄范围扩大到4-12岁都没问题,令人喜出望外。”但事实上,已经有2岁的孩子,也戴上了这款口罩。

周末,Kevin经常带着孩子去公园,他们会花上几个小时的时间戴着面具踢足球。“孩子们戴着口罩跑来跑去,呼吸和说话都不成问题,”Kevin说道。他还告诉我们,加州门罗帕克Burgess儿科联合创始人James Cisco博士测了Kevin家4岁女儿佩戴Flo Mask口罩后的血氧情况,也对这款产品相当认可。看到数据显示100%,他频频点头。

 “Flo Mask提升了儿童口罩的行业标准。硅胶垫独特,过滤效率高,还可水洗,让我眼前一亮,”Cisco博士说道。

Nelson实验室测试显示,Flo Mask过滤效果可达0.1微米,能有效阻挡超过99.8%的病毒。

参与Flo Mask研发的家庭都免费领到了一只口罩,佩戴起来感到非常满意。

戴着口罩上飞机的5年级学生Patrick很快就适应了新口罩。“虽然有点压脸,但相对而言还是很舒适,很快就感觉不到它的存在了,”他说道。

“这款口罩对戴眼镜的孩子来说特别友好,”他的父亲补充道。“戴上口罩呼吸时,眼睛上起雾的问题没这么严重了。” 

一个有5岁和10岁孩子的母亲表示,这款口罩不仅实用,还颜值在线。

“下巴部位的垫圈密封性很好,口罩立体有型,能保证口罩内部有足够的空间得以呼吸,”她说道,“而且外观上也很出众。”

Flo Masks正式上市

经过两年时间,打磨了几十款设计,Flo Mask于2020年12月正式发售。迄今为止,美国有超过2000位儿童正在使用这款口罩,许多家长在亚马逊网站上表示自己孩子非常喜欢,用户评价高达4.5分。

Flo Mask配有5个一次性过滤装置。

“疫情关系,现在口罩的需求更大了,”Kevin说道。“各国国门即将打开,孩子们又要回到学校,或者到处旅行,人们可能会慢慢注意到这款与众不同的口罩。我还没找到其他能完成这项任务的解决方案,这是对埃太科三维设备的最好证明。如果没有Artec Eva,Flo Mask是不可能实现的。”