2021年 8月 27日

三维扫描黑科技产品——提供贴身舒适保护的儿童口罩

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。