MITのエンジニアがフィット感を測るフェイスマスク用センサーを開発

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マスクの着用は SARS-CoV-2 などのウイルスの拡散を防ぐのに役立ちますが、マスクの効果はマスクがどれだけフィットするかによって決まります。

現在、マスクのフィット感を測定する簡単な方法はありませんが、MIT で開発された新しいセンサーを使用すると、良好なフィット感を確認するのがはるかに簡単になる可能性があります。 マスクと着用者の顔との物理的接触を測定するセンサーは、あらゆる種類のマスクに適用できます。

このセンサーを使用して、研究者らは男性と女性の被験者に対するサージカルマスクのフィット感を分析したところ、全体的にマスクが女性の顔にフィットするのは男性の顔に比べてはるかに低いことが判明した。

「研究対象者から収集したデータを分析してわかったのは、私たちが日常生活で使用しているマスクは女性の参加者にはあまり適していないということです」と、MITのメディア芸術科学のLGキャリア開発教授であるカナン・ダグデビレン氏は言う。および研究の責任著者。

研究者らは、センサーが人々が自分にもっとフィットするマスクを見つけるのに役立ち、デザイナーがそれを使用してさまざまな顔の形やサイズにフィットするマスクを作成できることを期待している。 このセンサーは、呼吸数や体温などのバイタルサインや、湿度などの環境条件を監視するためにも使用できます。

この研究はダグデビレンの研究室との共同研究によるものです。 都市研究計画学部の都市と不動産の持続可能性を教える STL チャンピオン教授、Siqi Zheng 氏。 そしてMITの環境、健康、安全プログラムのマネージングディレクターであるTolga Durak氏。 MIT 博士研究員の Jin-Hoon Kim がこの論文の筆頭著者であり、この論文は本日 Nature Electronics に掲載されます。

フィット品質

研究者らは、新型コロナウイルス感染症のパンデミックでマスクの着用が一般的になる前にこのプロジェクトに取り組み始めた。 彼らの当初の目的は、マスクに埋め込まれたセンサーを使用して、大気汚染レベルが高い地域でのマスク着用の有効性を測定することでした。 しかし、パンデミックが始まると、このようなセンサーはより広範囲に応用できる可能性があることに気づきました。

パンデミック中は非常に多くの種類のマスクが入手できるため、研究者らは、この種のセンサーが個人が自分に最適なマスクを見つけるのに役立つ可能性があると考えました。 現在、マスクのフィット感を測る唯一の方法は、マスクフィットテスターと呼ばれる機械を使用し、マスクの内外の空気粒子濃度を比較することでマスクのフィット感を評価する方法です。 ただし、このタイプの機械は病院などの専門施設でのみ利用可能であり、医療従事者にマスクの適合性を評価するために使用されます。

MIT チームは、マスクのフィット感を測定するための、よりユーザーフレンドリーでポータブルなデバイスを作成したいと考えていました。 ダグデビレン氏の研究室である Conformable Decoders グループは、身体からの信号を検出するために皮膚に装着したり繊維に組み込んだりできる、柔軟で伸縮性のある電子機器の開発を専門としています。

「このプロジェクトでは、呼吸パターン、皮膚温度、人間の活動、フェイスマスク内の温度と湿度、マスクの位置（人々が適切に着用しているかどうかなど）などの生物学的条件と環境条件の両方を同時に監視したいと考えました。そうではない」とキムは言う。 「フィット感の質もチェックしたいと思いました。」

センサーをフェイスマスクに統合するために、研究者らは適合性マルチモーダルセンサーフェイスマスク（cMaSK）と呼ぶデバイスを作成した。 さまざまなパラメータを測定するセンサーが柔軟なポリマーフレームに埋め込まれており、マスクの内側や端の周囲にリバーシブルに取り付けることができます。

フィット感を測定するために、cMaSK には静電容量を測定するマスクの端の周囲に 17 個のセンサーがあり、これを使用してマスクが各位置で皮膚に触れているかどうかを判断できます。

cMaSK インターフェースには、温度、湿度、気圧を測定するセンサーも搭載されており、会話や咳などの活動を検出できます。 デバイス内の加速度計により、着用者が動き回っているかどうかがわかります。 すべてのセンサーは、ステントなどの医療用インプラントに使用されるポリイミドと呼ばれる生体適合性ポリマーに埋め込まれています。

研究者らは、男性 5 名、女性 5 名のグループで cMaSK インターフェイスをテストしました。 被験者は全員サージカルマスクを着用し、研究者らは参加者が話す、歩く、走るなどのさまざまな活動を行う際のセンサーの測定値を監視した。 また、さまざまな温度条件でセンサーをテストしました。

研究者らは、静電容量センサーによって取得されたデータを使用して、研究対象者ごとにマスクのフィット品質を計算するための機械学習アルゴリズムを作成しました。 これらの測定により、顔の形や大きさの違いにより、女性のマスクのフィット感は男性よりも著しく悪いことが明らかになりました。 ただし、女性の場合は、小さめのサージカルマスクを着用することでフィット感が若干改善される可能性があります。 研究者らはまた、ひげを生やした男性被験者の1人ではマスクのフィット感が低く、マスクと皮膚の間に隙間ができていたことも発見した。

結果を検証するために、研究者らはMITの環境・健康・安全局と協力してフィットの設計と評価を行ったところ、各研究参加者のフィット結果がcMaSKを使用して得られたものと非常に似ていることが判明した。

カスタマイズされたフィット感

研究者らは、今回の研究結果が、マスクメーカーがさまざまな顔の形や大きさ、特に女性の顔にフィットするマスクを設計するきっかけになることを期待している。 Dagdeviren の研究室は、cMaSK インターフェースの量産と大規模展開に取り組む予定です。

「私たちはマスクをデザインする方法を考え、個人に最適なマスクを見つけたいと考えています」とダグデビレン氏は言う。 「靴にはさまざまなサイズがあり、靴をカスタマイズすることもできます。では、自分の健康と社会の利益のために、なぜマスクをカスタマイズしてデザインできないのでしょうか?」

研究者らはまた、屋外で働く人々に対する大気汚染の影響を研究するという当初の考えに立ち返ることを望んでいる。

「私たちのテクノロジーは、これらの環境災害による社会的コストを定量化し、あらゆる種類の政策介入の利益を測定するのに非常に役立ちます」と鄭氏は言います。

この研究は、MIT メディア ラボ コンソーシアム、3M 非テニュア教員賞、および MIT 国際科学技術イニシアチブ (MISTI) グローバル基金から資金提供を受けました。

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