通风机项目促进了锁定状态下的发明性协作和设计

设计师和工程师重新考虑通风机功能,原型设计和生产。

设计师和工程师重新考虑通风机功能,原型设计和生产。

来自RespiraWorks的一些团队成员开始组装他们的呼吸机的早期原型。图片由RespiraWorks提供。


在COVID-19危机的早期,受重灾的美国东海岸的医院努力应对大量呼吸系统疾病的患者,令人震惊的呼吸机短缺问题暴露无遗。 

3月24日,纽约州州长库莫(Cuomo)在每天的危机简报中说:“FEMA(联邦紧急事务管理局)表示’重新发送400台呼吸机。真?当我需要30,000台呼吸机时,我将如何处理400台呼吸机?” (“Cuomo说纽约需要30,000台呼吸机,并请美联储寻求帮助,” The Hill).

这场危机促使一些领先的汽车制造商采取了行动。通用汽车和福特汽车重新配置了生产线,开始生产通风机。在私营部门,制造商社区,3D系统供应商和技术公司开始采取行动来设计和交付可快速部署的通风机。 

这种环境催生了 CoVent-19 (也称为Innovate2Ventilate),这是由GrabCAD社区主办并由Stratasys支持的通风机设计挑战。它于4月1日上线,现在进入第二阶段,预计将有7名决赛选手开始开发其设计的工作单元和原型。 

另一种呼吸机

通用汽车及其合作伙伴Ventec于4月17日宣布首次交付通用汽车生产的名为VOCSN V + Pro的呼吸机 ’的工厂位于印第安纳州科科莫市,位于伊利诺伊州奥林匹亚菲尔德的方济各会健康奥林匹亚体育场和芝加哥的韦斯纪念医院。这是一个充满希望的迹象,表明行业领导者和制造商正在加紧应对挑战。

CoVent-19的创立者兼董事,麻省麻省总医院(Mass General)的Richard Boyer博士。他预见到需要专门应对COVID-19危机的另一种呼吸机。 

“典型的ICU(重症监护病房)呼吸机的费用约为30,000至60,000美元。它们不是简单的设备。它们具有多种通风方式,COVID-19患者可能不需要其中的一些。对于挑战,我们’重新寻找一种能产生COVID-19特有的一种或两种通风方式的通风机,而不是能在阳光下通风的所有通风方式,” he says.

因此,CoVent-19挑战赛并不试图在功能和范围上复制商用呼吸机。而是’应该创建一种更简单的设备,专门针对COVID-19患者使用。由于设备’为简单起见,Boyer认为设计,原型制作和获得批准应该相对容易一些。单位生产的目标成本约为2,000-3,000美元。 

“[呼吸机短缺]的威胁仍然存在,特别是在美国以外。在未来的COVID-19浪潮中仍将需要呼吸机,”博耶说。专家预测,随着各州的重新开放,感染将激增,这种价格合理的呼吸机可能会成为医疗界的一部分’应对COVID-19的第二波和第三波的策略。 

Stratasys和GrabCAD

托管挑战的在线社区GrabCAD是Stratasys的一部分。该门户源于3D内容共享和协作空间。它于2014年被Stratasys收购。目前,GrabCAD是具有协作软件(GrabCAD Workbench),工作单管理软件和3D打印准备软件的在线目的地。

“自挑战以来,我们就参与其中,”Stratasys Americas医疗部门负责人Scott Drikakis说。“在GrabCAD社区中,我们有700万活跃用户,因此我们在第一阶段就托管了挑战并将其推广。在第二阶段,我们将通过公司和Stratasys Direct Manufacturing部门提供设计服务。每个团队都与我们的工程师合作。”

RespiraWorks

拥有先进能源背景的工程师Ethan Chaleff回忆起在大流行初期与他在医疗保健和技术领域的熟人讨论了呼吸机短缺的问题。 

“我们有一个Slack频道,在那儿我们讨论了如何解决这个问题以及我们可以做什么,” recalls Chaleff. “我的朋友邱永昌是工程师。由于我们从事过类似的工作,因此他的房屋中有些地方闲置着。因此,他决定尽快组装一个原型。”

Chiu设计了用于SpaceX Falcon 9火箭的发动机控制器以及DeepFlight Super Falcon潜艇的电子控制装置。最终,查勒夫(Chaleff),邱(Chiu)和其他志同道合的人从他们的网络变成了一家非营利组织(501C状态待定),以 RespiraWorks

组织’s goal is “创建一个可以在全球范围内构建和部署的通风机,”陈述其网站。“We’希望能够创造出超出大流行范围的用法,”查勒夫说。 RespiraWorks的设计作品是CoVent-19挑战赛的决赛选手之一。 

“在锁定条件下进行研究很容易,” recalls Chaleff. “但是随着我们开始实施,’一直充满挑战。我可以使用配备有设备的车间,所以我们可以在那里运送东西,但是我’不是工程主管。 [为了适应地理上分散的团队],我们不得不购买重复的设备和套件,以便工程中的每个人都可以复制设计的副本。理想情况下,每个人都将在相同的空间中查看相同的原型。”

数字双胞胎—动态系统模型 —对于研究很有用,但在某些时候,“我们必须让人们戴上口罩,来到工作区并将原型放在一起,” Chaleff says. 

保险丝项目的团队提出了一种通风机设计,该通风机可以连接到IV杆,从而最大程度地减少了对额外空间的需求。 图片由fuseproject提供。

团队使用 欧特克 Fusion 360,具有由Autodesk Foundation提供的免费许可证。“It’气动系统,具有许多灵活的管道连接。 Fusion有助于我们弄清楚封装,了解我们是否还有足够的空间容纳PCB(印刷电路板)或是否需要其他情况,等等。要回答这些问题,我们都可以同时查看软件中的数字模型,” says Chaleff.

使用带有气动和机械求解器的一维示意图进行系统仿真,该方法的作者为 Modelon影响,一个协同设计软件。“There aren’设计上的压力很大,所以我们当时’做有限元分析(FEA)” Chaleff explains.

Chaleff认为,3D打印在原型制作阶段很有帮助,但对于批量生产而言,注塑成型可能更可行。 

保险丝项目

另一个入围项目被称为InVent气动呼吸机,来自旧金山 保险丝项目

InVent气动呼吸机的原型零件来自Stratasys J850 3D打印机。 图片由Stratasys提供。

“We’习惯于与初创公司合作。在这种情况下,我们必须非常迅速地召集团队—工程,法律和管理。因此,一个月之内,我们就提出了解决方案,”Fuseproject的创始人兼首席执行官Yves Behar说。

呼吸机设计是新领域,因此该团队与医疗保健专家进行了访谈,以了解有效的方法和无效的方法’t.

“在与医疗保健专业人员的交谈中,我们清楚地意识到一件事,即在ICU中空间非常宝贵,”请注意,fuseproject的高级工业设计师Daniel Zarem。“这就促使我们设计了一种可以悬挂在IV杆上的呼吸机,而无需单独的支架或较大的占地面积。屏幕和旋钮的设计使医生和护士熟悉,因为它们不会’在大流行期间没有时间学习新的UI [用户界面]或软件。”

保险丝项目团队依靠多材料3D打印将3D打印的垫片结合到呼吸机壳体中。他们还依靠多色打印来包含图标,这些图标可以清楚地识别出管子和连接器,从而易于组装。

“我们使用名为Miro [用于虚拟协作]的应用程序,就像在工作室中使用白板一样,因此每个人对项目的看法相同,” recalls Zarem. “为了设计几何图形,我们使用了Autodesk Fusion 360, 扎实的作品 以及其他一些ECAD软件包以可视化电路和图表以验证我们的设计。我们传递了STEP文件,因此每个人都可以打开3D模型。”

Fuseproject的设计也超越了当前的大流行。“由于我们的呼吸机具有广泛的功能和传感器,因此,在非洲等资源有限的地区,我们看到了它在当前危机之后的使用范围,” says Zarem. 

获奖者公布

获奖的SmithVent设计来自马萨诸塞州北安普敦市史密斯学院的校友,教职员工团队。 图片由Stratasys提供。

挑战后三个月’在首次发布和200项参赛作品之后,CoVent-19的组织者于7月1日宣布,由30人的史密斯学院团队参赛的SmithVent被选为获奖者。根据公告,SmithVent是“成本仅为传统呼吸机的十分之一,将经济的比例电磁阀技术与空气-氧气混合室相结合,可满足COVID-19通风的全部要求…可以从现成的现成组件中制成。”

保险丝项目和Cionic的InVent被认为是第二名,RespiraWorks的参赛作品是第三名。这三名获奖者将从Stratasys获得总计10,000美元的信用。

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黄健贤

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