Dans cette interview,Ma Cliniqueparle au professeur Seung Hwan Ko de ses dernières recherches dans lesquelles il a développé un masque facial qui peut s’adapter à vos conditions et environnement changeants.
Sommaire
Les gens s’habituent à porter des masques faciaux quotidiennement en raison de la pandémie de COVID-19 en cours. Qu’est-ce qui a inspiré vos recherches sur les masques faciaux et comment les adapter pour une meilleure utilisation ?
La plupart des masques faciaux inventés jusqu’à présent n’ont pas prêté attention au changement dynamique de la condition et de l’environnement des utilisateurs. Au lieu de cela, la plupart des masques faciaux se sont simplement concentrés sur l’augmentation de l’efficacité du filtrage. Cependant, même si le masque lui-même a une efficacité de filtration très élevée, cela ne signifie pas qu’il est convivial (généralement, un filtre à haute efficacité signifie que le masque est difficile à respirer et inconfortable).
Dans certaines conditions, d’autres composants sont plus importants que l’efficacité de la filtration. Par exemple, l’année dernière, j’ai lu des articles de presse disant que plusieurs élèves sont morts pendant un cours d’éducation physique alors qu’ils portaient un masque. Cela peut impliquer qu’un seul type de masque filtrant ne peut pas réagir correctement à l’état changeant dynamiquement de l’utilisateur et l’utilisateur doit donc porter différents types de masque facial et les changer en fonction de sa demande physique ou du changement d’environnement.
Nous avons essayé d’inventer un masque facial piloté par l’IA qui détecte l’état de l’utilisateur (prédit le changement de fréquence respiratoire à court terme à l’aide de l’IA) ou détecte le changement de la qualité de l’air ambiant et modifie automatiquement la taille des pores, modifiant le compromis entre le confort et l’efficacité de filtrage.
Crédit d’image : Volurol/Shutterstock.com
L’objectif principal des masques faciaux est de filtrer les polluants nocifs. Comment les masques faciaux font-ils cela?
La plupart des masques faciaux du commerce adoptent des filtres à air en tissu dans lesquels des fibres très fines (environ 10 à 100 fois plus fines qu’un cheveu humain) s’entremêlent pour former une structure poreuse en forme d’éponge peu tassée. Lorsqu’un flux d’air traverse le réseau complexe et entrelacé de minuscules tunnels d’air, les petites particules en suspension, que nous appelons polluants, entrent en collision avec les fibres et y adhèrent. C’est ainsi que les masques faciaux font la filtration.
Notre invention partage également le même mécanisme de travail en termes de filtration des polluants, mais diffère grandement en ce qu’elle permet un réglage dynamique du fonctionnement réel du mécanisme.
Pouvez-vous décrire comment les masques faciaux sont souvent conçus et développés ?
Jusqu’à il y a deux ans, il est vrai qu’il n’y avait pas beaucoup d’intérêt pour les masques faciaux car les masques n’étaient qu’un produit sanitaire qui se situait à la périphérie de notre vie ordinaire. Cependant, la pandémie mondiale de COVID-19 a changé la donne.
Au cours de l’année dernière et même aujourd’hui, d’innombrables rapports sur le développement de nouvelles formes avancées de masques faciaux ont été rédigés, tandis que la majorité d’entre eux reposent encore sur une technologie de filtration d’air passive conventionnelle. À notre connaissance, notre invention est le tout premier développement signalé d’un « masque facial réglable dynamiquement ».
De nombreuses personnes trouvent les masques faciaux inconfortables, en particulier lors de l’exercice. Pourquoi est-ce?
Lorsque les gens portent un masque, ils trouvent les masques inconfortables, surtout lorsqu’ils font de l’exercice, car le corps a besoin de plus d’oxygène et le rythme respiratoire augmente. Cependant, un masque induit généralement la chute de pression (ou différence de pression) due à la présence du filtre.
La chute de pression (ou différence de pression) augmente davantage pour le filtre à plus haute efficacité. La chute de pression plus élevée (ou différence de pression) rend la respiration difficile pour l’utilisateur et consomme plus d’énergie (rend ainsi l’utilisateur mal à l’aise).
Pouvez-vous décrire comment vous avez mené vos dernières recherches sur la conception d’un masque facial qui s’adapte aux conditions changeantes ?
Notre équipe est une coalition coopérative d’experts de divers domaines de l’ingénierie, allant de la science des matériaux, de la mécanique, de l’ingénierie électrique et même de l’intelligence artificielle. C’est ainsi que nous avons pu développer un masque facial piloté par l’IA en partant de zéro.
Notre équipe a commencé par concevoir une idée d’archétype un peu vague à voir la première fois. Cependant, les esprits d’ingénierie bien formés de diverses facettes ont permis de matérialiser l’idée en une entité tangible et convaincante. En ce sens, dirions-nous, il y a eu une ingénierie multidisciplinaire collaborative derrière l’exécution réussie de notre travail.
Crédit d’image : adapté de ACS Nano 2021, DOI : 10.1021/acsnano.1c06204
Comment avez-vous développé votre respirateur dynamique ? Comment fonctionne ce filtre à air dans différentes conditions ?
L’une des caractéristiques frappantes de notre respirateur dynamique est qu’il peut automatiquement transformer ses caractéristiques de filtration pour s’adapter aux circonstances données. Cela signifie que le système est conçu pour être capable de « détecter » l’environnement associé à son fonctionnement.
Ainsi, nous avons doté le système de la capacité de détection en incorporant des capteurs. Un capteur PM (particules) est utilisé pour mesurer la quantité d’air ambiant pollué et les baromètres sont utilisés pour détecter le schéma respiratoire du porteur reflétant la condition physique. Les informations recueillies à partir des capteurs sont ensuite utilisées pour faire une « conscience de la situation » complète de l’algorithme d’IA qui génère ensuite l’ajustement dynamique des caractéristiques de filtration aux différents scénarios.
Quels avantages ce masque facial aura-t-il pour les personnes par rapport aux autres masques faciaux disponibles ?
Le masque traditionnel a généralement le concept de base que les utilisateurs doivent s’adapter au masque (cela signifie que les utilisateurs doivent supporter la situation inconfortable). Cependant, nous avons essayé d’inventer un nouveau concept dans lequel le masque s’adapte à la condition de l’utilisateur et à l’environnement extérieur.
Je pense que notre masque piloté par l’IA est la première démonstration à prendre en compte le changement dynamique de la demande de l’utilisateur et des conditions environnementales, et il modifie pour la première fois l’orientation actuelle des masques des filtres vers les personnes (utilisateurs).
Quel rôle l’intelligence artificielle (IA) a-t-elle joué dans vos recherches ?
Ce que nous avons essayé de construire à travers ce travail était un respirateur automatisé qui peut s’adapter de manière transparente à un porteur individuel, nécessitant un algorithme opérationnel hautement personnalisé ; le respirateur et l’algorithme en cours d’exécution reconnaîtront, au sens figuré, les transitions « caractéristiques » des schémas respiratoires d’un utilisateur spécifique.
Cependant, la caractéristique de la façon dont la transition se produit, par exemple, diffère selon les individus. Cela rend le développement d’un algorithme universel pouvant être rendu public extrêmement difficile. Dans ce contexte, nous avons choisi de développer un algorithme d’IA qui apprend les caractéristiques respiratoires des porteurs individuels pour permettre une « personnalisation universelle », ce qui n’est pas possible avec des algorithmes ordinaires et inflexibles.
Pensez-vous que si des masques faciaux adaptables étaient facilement disponibles, davantage de personnes les porteraient régulièrement, ce qui réduirait potentiellement la propagation du COVID-19 ?
La principale motivation pour le masque piloté par l’IA est venue de mon expérience personnelle. Lorsque je vais à la salle de sport ou que je fais du jogging, je ressens une forte envie d’enlever le masque pendant l’exercice. Je pouvais aussi voir beaucoup de gens ranger le masque tout en utilisant le tapis de course. Pendant la situation COVID-19, de nombreux endroits (intérieurs ou extérieurs) ont une politique de restriction stricte pour le port d’un masque.
La principale raison pour laquelle ils ne portent pas le masque est simplement qu’ils peuvent être très inconfortables à respirer lorsqu’ils le portent. Les masques pilotés par l’IA ajustent automatiquement le compromis entre l’efficacité de filtrage et le confort pour satisfaire la condition dynamique des utilisateurs et le changement d’environnement. Les masques faciaux adaptables devraient aider davantage de personnes à porter des masques régulièrement et potentiellement réduire la propagation du COVID-19.
Crédit d’image : Drazen Zigic/Shutterstock.com
Quelles recherches supplémentaires doivent être menées avant que ces masques personnalisés puissent être facilement disponibles ?
Miniaturisation du masque et faire la lumière sur l’utilisation du masque facial sur le marché. Les progrès technologiques ont souvent tendance à cacher la technologie elle-même à notre vue. Des technologies assez légères, assez petites et donc inconscientes, peuvent offrir une utilité pure par elles-mêmes sans distraire l’utilisateur. Cette philosophie conduit notre équipe à découvrir d’autres options d’ingénierie pour minimiser l’ensemble du système et améliorer l’expérience utilisateur.
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche ?
Parallèlement à la miniaturisation, nous essayons de découvrir divers matériaux élastiques pour doter le filtre à air extensible d’une fonctionnalité de niveau supérieur, un élément clé de notre système. Par exemple, nous pouvons fabriquer un filtre à air qui peut générer même une petite quantité d’électricité en raison de la modulation mécanique du filtre à air.
Ou, nous pouvons nous concentrer sur des matériaux auto-réparables pour améliorer la facilité d’utilisation à long terme et la stabilité mécanique du filtre à air extensible. Surtout, nous attendons une coopération active avec des experts médicaux de tous les coins du globe pour transférer notre technologie à l’industrie.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations ?
Des informations plus détaillées sur le masque facial intelligent piloté par l’IA peuvent être trouvées dans la publication récente
« Modulation dynamique des pores du filtre à air extensible pour une protection respiratoire adaptative apprise par machine », ACS Nano, sous presse, 2021. [doi/10.1021/acsnano.1c06204]
Une autre étude connexe de notre groupe sur le filtre transparent et réutilisable peut être trouvée dans notre publication précédente « Filtres PM2.5 à haute efficacité, transparents, réutilisables et actifs par Hierarchical Ag Nanowire Percolation Network », Nano Letters, 17, 4339-4346, 2017. [doi/10.1021/acs.nanolett.7b01404]
À propos du professeur Seung Hwan Ko
Seung Hwan Ko est professeur au laboratoire Applied Nano & Thermal Science (ANTS), Département de génie mécanique, Université nationale de Séoul, Corée. Avant de rejoindre l’Université nationale de Séoul, il était professeur à KAIST, Corée depuis 2009. Il a obtenu son doctorat. diplôme en génie mécanique de l’UC Berkeley en 2006.
Il a travaillé comme postdoctorant à l’UC Berkeley jusqu’en 2009. Ses intérêts de recherche actuels sont les filtres fonctionnels (filtre à pores variables, filtre transparent, filtre réutilisable, filtre extensible, filtre antibactérien), l’électronique portable, l’électronique extensible/flexible, les technologies VR/AR.
