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戴口罩被認為是防止COVID-19傳播最有效的方式之一，即使是在即將到來的流行階段。除了傳統(tǒng)口罩的功能外，智能口罩監(jiān)測人體生理信號的潛力正在被越來越多地探索。由香港城市大學領導的研究小組最近發(fā)明了一種智能口罩，它集成了超薄納米復合材料海綿結構的聲波傳感器，能夠檢測呼吸、咳嗽和說話的呼吸聲音。

智能口罩使用機器學習算法和高靈敏度聲波傳感器，可在寬帶寬內(nèi)操作，為其在呼吸道疾病識別和語音交互工具方面的應用開辟了新的途徑。通過在日常生活中實現(xiàn)長時間和系統(tǒng)的呼吸健康監(jiān)測，這種超輕的可穿戴技術還具有改善個人和公共健康的潛力。

由香港城市大學機械工程學系講座教授李文容教授、計算機科學系教授王建平教授和生物醫(yī)學工程學系副教授于新格博士領導的研究小組，最近開發(fā)了一款智能口罩，可以檢測和區(qū)分多重呼吸動作。香港大學中醫(yī)學院沈建剛教授團隊也為該項目做出了重要貢獻。研究結果發(fā)表在《先進科學》雜志上，標題為“用于跟蹤多相呼吸活動的寬帶納米復合傳感器集成智能口罩”。

即使COVID-19成為流行病，戴口罩的重要性  

李教授說:“許多國家現(xiàn)在認為，新冠肺炎很快就會成為流行病。“然而，我們必須拋開樂觀，對未來幾年與這種疾病相關的疾病、殘疾和死亡的可能水平保持現(xiàn)實態(tài)度。重要的是要記住，地方病并不等于無害。”他以瘧疾為例說明，根據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization)的數(shù)據(jù)，盡管瘧疾目前被認為在87個國家流行，但到2020年，估計有2.41億人感染了瘧疾，造成62.7萬人死亡。因此，他建議人們應該繼續(xù)對COVID-19保持警惕，并使用現(xiàn)有和已證實的措施，包括口罩，來控制病毒的傳播。

李教授解釋說:“這款智能口罩采用了我們自主研發(fā)的高靈敏度、寬頻帶柔性傳感器，可以檢測和記錄人類日常呼吸活動，如呼吸、咳嗽和說話，用于云數(shù)據(jù)存儲。”

該研究小組開發(fā)的智能口罩具有薄至400μm的海綿狀結構，由碳納米管和聚二甲基硅氧烷(CNT/PDMS)材料制成，采用了全新的改良犧牲釋放技術。超薄，輕量化傳感器可以實際集成，有效地與剛性口罩和可變形無紡布口罩工作。

良好的靜、動壓性能  

研究團隊招募了31人，以便收集他們戴智能口罩時的呼吸活動。結果表明，聲波傳感器在測量靜態(tài)和動態(tài)壓力方面都具有較高的靈敏度。該傳感器除了在27.9 Pa - 2.5 kPa的靜壓范圍內(nèi)表現(xiàn)良好外，還能對人的聲音產(chǎn)生的高頻動態(tài)壓力，即高達4000 Hz的聲諧波聲能量做出響應。此外，傳感器可以感知空氣運動，包括定向流動和振動。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過將傳感器與商用聚碳酸酯口罩集成，可用于檢測人體呼吸活動。研究還表明，智能口罩可以檢測和區(qū)分三種常見的呼吸功能:呼吸、咳嗽和說話。

王教授說:“先進的人工智能技術使這款綜合口罩能夠自動識別不同的咳嗽和呼吸模式，預示著它未來可能被用于診斷呼吸相關疾病。”“目前，研究人員使用商用傳感器來檢測溫度變化和氣流，以計算咳嗽的次數(shù)，但他們無法捕獲人類聲音、咳嗽和呼吸中包含的重要生理信息。我們的智能口罩對細微的氣壓和高頻振動都很敏感，可以檢測出咳嗽的三個階段，”李教授補充說。

該團隊的目標是最終開發(fā)實時診斷算法，用于塵肺病癥狀評估等應用。余博士說:“作為一種潛在的低成本、日常智能可穿戴設備，這種新的物聯(lián)網(wǎng)智能口罩將有助于個人和公共健康管理，對呼吸道疾病進行篩查和診斷，特別是在像香港這樣人口密集的城市。”智能口罩的語音檢測能力還可以幫助解決戴口罩帶來的聲音衰減問題。