RMB | USD

明尼苏达大学和 Digi-Key 如何快速设计出用于应对 COVID-19 的呼吸机

明尼苏达大学Digi-Key Electronics 携手合作,快速设计并推出一款简单的基本呼吸机。该呼吸机可快速投产且成本低廉,能为新冠病毒感染者提供帮助。这项努力只是目前众多类似工作之一,其他公司目前也在做出诸多努力,例如戴森、美敦力、福特、通用电气、通用汽车等公司。这将为那些在全球医疗机构第一线战斗的人们带来希望,使他们能够满足病人的需求。

明尼苏达大学的呼吸机(图 1)如何诞生并迅速从构想变为现实,是一个关于危机时期的创造力、跨学科和公司间合作的精彩故事。这只是众多例子中的一个,下面介绍了呼吸机是如何开始和发展的。

图 1:3 月 15 日,明尼苏达大学与 Digi-Key Electronics 开始合作开发呼吸机的设计。(图片来源:Aaron Tucker,明尼苏达大学)

明尼苏达大学的麻醉学研究员 Steve Richardson 博士于 3 月 15 日左右开始制造低成本的急救呼吸机,他从生物医学工程师朋友和其他私人公司采购设备和资源。

Richardson 博士与他的一位生物医学工程师朋友讨论了该项目,然后前往大学手术室试验了一些想法,同时研究了一本 1950 年代的教科书,以了解哪种类型的设计可以实现快速简单的呼吸机。仅仅几个小时后,他就有了一个简单但完全可以正常工作的原型。

他打电话给几家公司,并告诉他们,他是一名麻醉师,正在研究这种简单的呼吸机来协助应对 COVID-19 疫情,他要求与公司的 CEO 交谈。他获得了多家拥有设备制造和工程设计专门技术的私营公司帮助。

如果获得 FDA 批准,Richardson 可以很快开始规模化生产。他们大概能在大约三周内生产出几千台这样的呼吸机。成本仅是标准医院呼吸机的很少一部分。

我听到有人说,他们绝不会使用“廉价”呼吸机。就我个人而言,如果到了那个地步,有简单而基本的东西可用,也好过一无所有。

事实证明,Richardson 博士的设计与许多救护车中使用的设计相似(图 2)。不过,泵送动作通过电子方式控制并以机械方式实现,而不需要人工挤压气囊对患者通气来维持生命。

图 2:新款呼吸机类似于救护车中常用的手动呼吸机,但泵送动作是机械方式。(图片来源:Ambu USA)

在针对这篇文章进行研究的过程中,我与 Earl E. Bakken 医疗器械中心的实验室主管/技术开发协调员 Aaron Tucker 取得了联系。Aaron 是一名机械工程博士生,正在从事 Richardson 博士的项目。(图 3)。

图 3:实验室主管/技术开发协调员 Aaron Tucker 与他们的一台呼吸机原型(图片来源:Aaron Tucker,明尼苏达大学)

Aaron Tucker 欣然接受了就该项目、Digi-Key 如何参与,以及项目进展情况进行快速作答:

Steve Taranovich:什么因素促使选择向 Digi-Key 采购所需的部件?他们将是唯一的供应商吗?

Aaron Tucker:在过去的几周中,我们与许多公司密切合作,其中包括 Digi-Key、Teknic、Protolabs、Electronic Systems Inc.、MGC Diagnostics 和 UMN 医学院。

对于 Digi-Key,我们早就知道他们的强大 JIT(准时生产)能力,并且我们很早就与 Randall Restle 建立了良好的关系。在过去的几周中,他们的运转非常出色,如果没有他们,我们不可能制造出首批 25 台原型机。

Steve Taranovich:谁来组装这些部件?将在哪里组装?

Aaron Tucker:我们正在与明尼苏达州当地的多家医疗器械公司开展合作,在这些公司的明尼苏达州工厂中制造和组装呼吸机。

Steve Taranovich:成本如何?谁来支付这些费用?

Aaron Tucker:我们还没有完成可制造性设计复查,目前仍无法确定成本。

Steve Taranovich:你们打算制造多少台?

Aaron Tucker:对这些呼吸机的需求仍然未知。仅美国的预测需求就高达成千上万台。由于情况不断变化,我们的目标是尽快提供几千台,并在此基础上重新评估美国的需求。

Steve Taranovich:是否有计划将设计提供给其他人,以便他们可以帮助生产?例如其他大学?

Aaron Tucker:我们计划通过明尼苏达大学设立开源许可证。我们想要提供一种设计,即便是使用较便宜、不那么高端的设备也可以生产出来。我们希望这种设计能够在拥有较少资本设备的其他国家/地区进行生产。

Steve Taranovich:生产一台机器需要多长时间?

Aaron Tucker:我们有望在下周内了解此信息。

Steve Taranovich:谁负责检查成品?将如何进行测试?

Aaron Tucker:生产公司将执行测试和检查。

推动呼吸机设计的发展

图 4:Digi-Key Electronics 销售经理 Kari Jesme 表示,公司的销售、工程、增值、分销和应用支持团队正在与明尼苏达大学以及许多其他方合作,支持全国各地的呼吸机需求。(图片来源:Digi-Key Electronics)

Digi-Key 一直在持续支持前线医护人员,此次合作只是这些努力的一部分。我们在家乡锡夫里弗福尔斯市本地直接提供相关支持,同时还为明尼苏达大学团队以及许多其他致力于开发呼吸机的机构提供所需的电子零部件、硬件和技术支持,来间接地为医护人员提供支持。

“DKE 正在与我们现有的客户、供应商和我们的内部团队展开协作,确保我们能够为尽可能多的人提供支持,”Digi-Key Electronics 美国中部和墨西哥销售经理 Kari Jesme 表示(图 4)。

“我们的销售团队已经与许多支持全国呼吸机需求的客户开展合作,其中一些平常就生产这些设备,还有像明尼苏达大学这样的其他许多机构,他们挺身而出,现正利用他们的设施为这次疫情出一份力。”

这是全公司范围内的一项艰巨任务,意味着全球性的巨变。例如:

  • Digi-Key 的增值部门正在确保电缆组件一次最多在 10K 范围内支持个订单。
  • 公司供应商团队正在努力与供应商合作,以维持零部件供应,支持额外的需求,并且每天与他们进行对话沟通,以尝试获得更多这些设备中的常用零部件。
  • 工程团队已经加紧多方寻找渠道和机会,以便在需要时能找到替代部件,或者尽可能提供额外的来源,以协助完成设计。
  • 这个团队正在用现有的设计和一些新的设计来支持客户,并帮助他们快速地将设计投入生产——有时只需几天时间。

“上周末,我们有位客户需要一些零部件,希望在今天就做出一些能够工作的呼吸机样品,”Jesme 说:“我们与 PDC(产品分销中心)合作,在昨天完成了订单拣货,而客户来取走了货品,今天他们就有了一台能够运行的样品。他们与我们的一位 AE [应用工程师] 密切合作来选择零部件。”

除线缆外,这些产品还包括电源、编码器和连接器。

“我们的 [部件] 库存状况、增值服务、我们在供应商和客户方面的业务关系,以及我们出色的产品分销团队,还有我们与物流合作伙伴的关系,让我们能够在这段非常必要的时期提供急需的部件。我们感到非常欣慰,我们能够尽自己的微薄之力来帮助抗击疫情。”

许多公司都在努力供应大量呼吸机,其中包括以吸尘器成名的戴森公司。公司创始人 James Dyson 曾直接接到英国首相 Boris Johnson 寻求帮助的电话。在 10 天内,他和他的团队就设计出了 CoVent 呼吸机。目前,还有其他一些公司也在全球范围内大规模开发呼吸机,其中包括美敦力、福特、通用电气和通用汽车,仅举几例。

总结

我为这些博士、工程师、技术人员、制造商和分销商的创造力和设计协作感到自豪,他们在全球重大危机中挺身而出提供帮助。病毒不认商业计划或国界,它扰乱了人们的家庭生活,并危及到不计其数的生命。但是,它也让我们展现出人性最好的一面,为此我们应该心存感激。

关于此作者

Image of Steve Taranovich

Steve Taranovich 是一位在电子行业浸淫了 47 年的自由技术作家。他获得了纽约布鲁克林理工大学的电子工程学硕士学位,以及纽约布朗克斯的纽约大学的电子工程学士学位。他还是 IEEE 长岛教育活动委员会主席,目前是 Eta Kappa Nu 会员和 IEEE Life 高级会员。他曾在 Burr-Brown 和 Texas Instruments 多年从事与模拟设计相关的工作,因此在模拟、射频和电源管理方面拥有丰富的专业知识。

More posts by Steve Taranovich