Bessere Gesichtsmasken sind möglich: Hier sind einige Gewinnerdesigns

Ein zweiteiliger Wettbewerb soll Innovationen anstoßen und die Gruppen zusammenbringen, die versuchen, hochwertige Masken zum Schutz vor COVID neu zu entwerfen

Hochwertige Masken, sogenannte Atemschutzmasken, wie N95 und KN95, bieten starken Schutz gegen die Ausbreitung von COVID-19. Aber wenn es um Komfort und Bequemlichkeit geht, gibt es sicherlich Raum für Verbesserungen. Masken beschlagen Brillengläser. Das stundenlange Tragen kann schweißtreibend und unangenehm werden (besonders bei schwüler Sommerhitze). Die Wirksamkeit kann je nach Marke stark variieren. Und wenn Menschen die Hälfte ihres Gesichts bedecken, ist es schwieriger, Gesichtsausdrücke zu lesen und sozial zu interagieren.

Diese Woche gab ein Projekt namens „Mask Innovation Challenge“ die 10 Finalisten eines hochpreisigen Wettbewerbs bekannt, der darauf abzielt, Innovatoren zu unterstützen, die an den Masken der Zukunft arbeiten, und diese Gruppen miteinander zu verbinden.

„Wir wollten unbedingt dazu beitragen, Innovationen zu unterstützen, um die amerikanische Öffentlichkeit vor zukünftigen Notfällen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu schützen“, sagt Gesundheitswissenschaftlerin Kumiko Lippold, Challenge Managerin des Projekts. „Gemeinsam wollten wir wirklich etwas schaffen, das bequem ist – das man lange tragen kann, ohne es im Idealfall zu bemerken – und das außerdem einen überlegenen und außergewöhnlichen Schutz bietet, der auf Beweisen basiert, sodass die Menschen verstehen, was sie tragen und warum.“ Sie tragen es und würden es tragen wollen.

Die Mask Innovation Challenge wird von Lippold und ihren Kollegen in der Abteilung für Forschung, Innovation und Ventures (DRIVe) geleitet, die zur Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) des US-Gesundheitsministeriums gehört. Nachdem der Wettbewerb im März 2021 gestartet war, strömten schnell fast 1.500 Einreichungen ein. Um sie auf 40 Finalisten und 10 Gewinner zu reduzieren, untersuchten Lippolds Team und einige als Juroren rekrutierte Experten vier Kriterien. Erstens musste der Eintrag so aussehen, als würde er Viren tatsächlich blockieren und in realen Situationen funktionieren. Zweitens musste es innovativ sein. Drittens mussten Probleme wie Beschlagen oder Unbehagen behoben werden, die dazu führen, dass Träger ihre Maske ständig neu anpassen müssen. Schließlich musste es ein starkes Design haben, das die Leute dazu bringen würde, es zu tragen.

Die 10 Gewinnerentwürfe waren sehr unterschiedlich. Die meisten kamen von Start-ups, einige kamen von Universitäten und einige wurden von großen Unternehmen eingereicht, darunter Amazon. Bei bestimmten Masken lag die Innovation in neuen Materialien. Ein Eintrag der Georgetown University verwendet leichte, atmungsaktive Metallschäume, die Schadstoffe mit winzigen Poren filtern. Ein Start-up namens 4C Air hat einen halbtransparenten Filter entwickelt, um seine BreSafe Transparent Mask durchsichtig zu machen. Andere Teilnehmer experimentierten mit neuen Herstellungs- und Montagemethoden. Der Jeanshersteller Levi Strauss hat ein kostengünstiges Atemschutzmaskendesign entwickelt, das nach Angaben des Unternehmens jeder Bekleidungshersteller herstellen kann, während das Start-up Air Flo Labs dreidimensionale Gesichtsscans verwendet, um sicherzustellen, dass seine Flo Mask Pro auf das Gesicht des Trägers zugeschnitten ist. Einige Beiträge haben den Durchbruch geschafft, indem sie Designelemente neu überdacht haben. Dazu gehörte die Airgami-Maske des Start-up-Unternehmens Air99, die durch origamiartige Falten den Filter der Abdeckung über eine größere Oberfläche verteilt und so das Atmen erleichtert.

Doch Lippold und ihr Team waren noch nicht am Ende. Diese Gewinner dieser ersten Gruppe wurden als Phase 1 des Wettbewerbs bestimmt, und es würde einige Monate dauern, eine neue Struktur für Phase 2 zu entwerfen. „Wir wollten Phase 2 nicht nur zu einer ähnlichen Übung wie Phase 1 machen. Wir „Ich wollte wirklich etwas schaffen, das den Bedürfnissen von Innovatoren gerecht wird“, erklärt Lippold. „Und das haben wir erreicht, indem wir im Laufe der Zeit mit der breiten Öffentlichkeit und kleinen Unternehmen zusammengearbeitet haben, um wirklich zu verstehen, was sie brauchen.“

Für Phase 2 hat DRIVe den Wettbewerb erneut eröffnet: Die Gewinner der Phase 1 konnten sich erneut bewerben, aber auch neue Teilnehmer – und die Leistungskriterien waren dieses Mal viel höher. „Wir haben es so strukturiert, dass die Innovatoren wirklich dazu gedrängt wurden, mit ihren Produkten sehr revolutionäre Veränderungen zu erreichen“, sagt Lippold. „Wir waren nicht auf der Suche nach schrittweisen Verbesserungen. Wir suchten nach Dingen, die wirklich etwas bewegen würden.“ In dieser Phase arbeitete das DRIVe-Team mit zwei Regierungsorganisationen zusammen, dem National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) und dem National Institute of Standards and Technology, um wiederholte Labortests zur Filtereffizienz, Atmungsaktivität und Passform der Einträge durchzuführen.

Anschließend stellten die Organisationen die Ergebnisse den Wettbewerbern zur Verfügung und gaben ihnen so die Möglichkeit, ihre Designs zu überarbeiten und zu verbessern. „Ich habe von den Finalisten so positives Feedback bekommen“, sagt Matthew Staymates, Maschinenbauingenieur und Strömungsdynamiker am NIST. Während NIOSH quantitative Tests durchführte, beispielsweise den Prozentsatz der Partikel, die sich ihren Weg durch das Material bahnen und den Träger erreichen konnten, konzentrierte sich Staymates auf eher qualitative Messungen. Mithilfe einer Bildgebungstechnik, die den Luftstrom sichtbar macht, zeichnete er beispielsweise sein Atmen, Sprechen und Husten auf, während er entweder entlarvt war oder den Prototyp eines Challenge-Teilnehmers trug.

Staymates zeichnete sich auch selbst mit einer Infrarotkamera auf, die die heiße Luft beim Ausatmen erkennt, um zu zeigen, wie viel von der Fläche einer Maske seinen Atem aktiv filterte. Und er war nicht das einzige Versuchskaninchen: Er testete die Masken auch an speziell angefertigten Schaufensterpuppen, die wie ein Mensch „atmen“, aber statt transparenter Luft sichtbaren Nebel ausstoßen. „Was mir daran gefallen hat, ist, dass es eine leicht verständliche visuelle Darstellung ist, die bestätigt, was die quantitativen NIOSH-Daten zeigen“, sagt Staymates. „Und diese [Maskenprototypen] waren fantastisch. Sie blockieren etwa 98, 99 Prozent der aus der Schaufensterpuppe austretenden Tröpfchen.“

Diese Woche hat BARDA die 10 Finalisten der Phase 2 benannt. Von den 10 Gewinnern der Phase 1 schafften es nur die zuvor beschriebenen fünf in die engere Auswahl. Zu den fünf neuen Finalisten zählen drei transparente oder halbtransparente Designs: ClearMask, CrystalGuard und Matregenix Mask. Es gibt auch die gurtlose ReadiMask, die mit einem Klebstoff direkt auf dem Gesicht des Trägers haftet und so Luftlecks und Beschlagen verhindert. Und der fünfte neue Finalist ist die Smart, Individualized, Near-Face, Extended Wear (SINEW) Mask, die das Gesicht überhaupt nicht berührt. Stattdessen nutzt es elektrostatische Kräfte, um zu verhindern, dass Partikel in die Nähe von Nase und Mund des Trägers gelangen.

Diese Finalisten werden im September einer letzten Testrunde unterzogen, sagt Lippold. Im Oktober wird das DRIVe-Team zwei Gewinner bekannt geben, die jeweils 150.000 US-Dollar erhalten, und zwei Zweitplatzierte, die jeweils 50.000 US-Dollar mit nach Hause nehmen. Doch Lippold betrachtet die Herausforderung bereits als Erfolg. „Zu einem gewissen Grad haben wir unser Ziel bereits erreicht, nämlich dazu beizutragen, eine Gemeinschaft gleichgesinnter Innovatoren zu schaffen, die einfach nur anderen Menschen helfen wollen“, sagt sie. „Das war irgendwie ein unausgesprochenes Ziel. Aber wir wollten dazu beitragen, die Beschleunigung wirklich neuartiger Designs anzuregen und zu unterstützen, und ich denke, dass wir das in Phase 1 erreicht haben.“

Ihr ideales Ergebnis für die nächste Phase wäre es, den Finalisten dabei zu helfen, die behördliche Genehmigung zu erhalten, beispielsweise die N95-Zertifizierung von NIOSH oder die Genehmigung der Food and Drug Administration. „Indem wir die Möglichkeit zum Testen und Bewerten bieten, unterstützen wir die Generierung von Beweisen auf der Grundlage dieser Masken und ihrer Funktionsweise“, fügt Lippold hinzu.

„Die Mask Innovation Challenge ist gut, um neue Designs und Innovationen anzuregen und neue Leute dazu zu bewegen, darüber nachzudenken, wie man gute N95 herstellt“, sagt Linsey Marr, Aerosolexpertin an der Virginia Tech, die nicht am Wettbewerb beteiligt war. „Wir möchten es den Menschen so einfach wie möglich machen, qualitativ hochwertige Masken zu tragen, denn sie sind eines der einfachsten, schnellsten und kostengünstigsten Hilfsmittel, die wir zum Schutz vor COVID-19 und anderen Krankheiten nutzen können. Und sie sind nicht spezifisch.“ bestimmte Variante – sie funktionieren für alles.“

Sophie Bushwick ist Associate Editor für Technologie bei Scientific American. Folgen Sie ihr auf Twitter @sophiebushwick. Bildnachweis: Nick Higgins

fragte Lewis

Marla Broadfoot

Ingrid Wickelgren