为了保护医护人员的安全，以及帮助病情严重的 COVID-19 患者呼吸，世界各地都迫切需要防护装备和呼吸机。面对需求的大幅增加和供应链的停滞，工程师们正在努力重新设计设备，以便可以在专业工厂之外生产。
佐治亚理工学院的生物工程师萨德·巴姆拉表示，学术机构的研究人员正在借鉴独立创客运动的精神。“我们正在利用整个现有的社区，”他说，并指出许多城市都有 DIY 爱好者的俱乐部。这些人经常在制作实验室和创客空间里做义工。现在，COVID-19 大流行给他们带来了一个独特的问题。“人们都在响应号召，”巴姆拉说，“他们正在发挥他们的创造力和解决问题的能力。”
自己动手的方法在口罩方面最为明显：爱好者们正在分享设计和说明，使业余爱好者可以缝制自己的可清洗口罩。有些人将这些口罩捐赠给医院，但在医疗环境中，这种非官方装备只能作为最后的手段。先前的研究表明，虽然自制面部防护可以减少微生物的传播，但它们不如专业生产的手术口罩有效。这种差异部分原因是手术口罩是由能够更好地阻止人类打喷嚏和咳嗽时喷出的携带病毒的飞沫的材料制成的，而许多自制口罩所用的棉等织物则不如这些材料。一些医院没有依赖个人的捐赠，而是将医用级材料发送给包括时装设计师克里斯蒂安·西里亚诺和俄亥俄州一个阿米什社区在内的多家服装制造商，他们已经开始批量生产更不透水的口罩和防护服。
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但是口罩只是医护人员需要的个人防护装备中的一个要素，而且它们不需要重新设计就可以用缝纫机批量生产。面罩等装备——佩戴者将其绑在前额以提供额外屏障来防止飞沫的透明塑料片——是另一个故事。有可能用一块塑料片和扎带或橡皮筋来 临时 制作这种装置，但是这个过程和结果对于大规模生产来说会过于耗时且不合适。相反，工程师们想出了几种方法来制作可以使用 3D 打印机和激光切割机大量生产的面罩。
面部防护
巴姆拉是第一个采用 DIY 方法来应对冠状病毒设备的团队的成员之一，该团队在业务通信平台 Slack 上进行协调。尼古拉斯·莫泽表示，当他第一次加入名为有益工程的团队时，该团队大约有 300 名成员。当其重点转移到抗击冠状病毒的设计时，截至撰写本文时，成员人数已膨胀到数千人。莫泽拥有项目经理的经验，他成为了旨在开发防护装备的 MASKproject 子组的负责人。MASKproject 迅速开始改进两种面罩，最终专注于一种折纸式设计。任何商用模切机、激光切割机或水射流机都可以从一块平坦的塑料片上切割出开源设计，然后将其手工折叠成合适的三维形状。
莫泽说，他的团队的面罩已经以每周约 10,000 个的速度送往包括新奥尔良、马萨诸塞州和加利福尼亚州的五家医院。其他组织也纷纷效仿：麻省理工学院和杜克大学健康系统都宣布他们的研究人员开发并测试了自己的面罩原型。与 MASKproject 的设计一样，麻省理工学院的面罩是在模切机上生产然后手工折叠的，而杜克大学健康系统的面罩则使用 3D 打印的头带。
在所有这些情况下，新的面罩都可以在相对常见的机器上生产——激光切割机、模切机和 3D 打印机在许多通常不生产医疗设备的创客空间、实验室和生产设施中都可以找到。莫泽的团队希望与各种合作伙伴合作生产其设备，他说。“从做活字印刷的小商店（他们将纸张切割成各种形状）到拥有滚筒模切机的大型工厂（他们每天可以生产数十万个[面罩]），”莫泽补充说。通过这种所谓的分布式制造模型生产的设备然后流向中央枢纽进行质量控制和消毒，然后再运往医院。“这个项目的一个迷人之处在于，从未有过这种分布式制造，”他说。“这种规模的分布式制造从未做过。而且供应链正在以惊人的速度与所有这些人一起得到解决。”
需要 N95 口罩
虽然分布式制造具有速度快的优点，但它需要重新设计设备，以便可以使用诸如 3D 打印机之类的机器而不是专用设备来生产物品。并非所有新设计都符合严格的医疗标准，这些标准对于现在严重稀缺的主要物品（N95 呼吸器）尤其重要。手术口罩可以阻止飞沫，但病毒仍然可以挤过材料。当空气中充满病毒颗粒时，会出现这种情况，而当医生给病情严重的冠状病毒患者进行通气时，就会发生这种情况。为了在这种情况下保护自己，医疗专业人员会戴上 N95 呼吸器。这些口罩紧贴皮肤，只允许空气通过一个密集过滤器进入，该过滤器可阻挡 95% 的非常小的颗粒，同时仍允许佩戴者在不过度费力的情况下呼吸。
N95 内的过滤器由聚丙烯制成，这种材料目前供不应求。因此，莫泽和他的同事们正在设计一种可以使用其他物质的类似装置。“我们已经设计并制作了原型，并且正在测试一种与过滤器无关的面罩，作为 N95 的替代品，”他说。MASKproject 呼吸器由一个可以紧贴面部的 3D 打印底座组成。该产品有一个前格栅，迫使空气通过一堆过滤材料进入，包括高效微粒空气过滤器，“其颗粒规格与 N95 相同。因此，它们没有被评为这样使用，但它们具有类似的分类，”莫泽说。他的团队目前正在测试这些设备的过滤性和透气性。
然而，MASKproject 的设备不太可能通过认证 N95 呼吸器必须通过的所有监管障碍。“像 N95 呼吸器这样的产品确实要经过严格的测试过程才能达到该级别的资格，”北卡罗来纳州立大学的工业和系统工程教授朱莉·斯旺说。但是当前的大流行不会等待测试：美国食品药品监督管理局最近宣布，在紧急情况下，美国组织可以求助于诸如 KN95 之类的替代品，这是在中国使用的可比较的防护罩。莫泽认为他的团队的 N95 替代品是一个类似的备用选项。“MASKproject、我和有益工程师——我们不是在制造医疗设备，”他说。“我们正在制造通用产品，我们正在按照与短缺的同类设备相同的国际标准对其进行测试。但它们没有经过认证，不受监管，也不适用于医疗用途。”莫泽指出，医院可以要求 MASKproject 的设备，“但它们根本不是作为医疗用途销售的。”尽管有此声明，他说，他的团队正在寻求美国食品药品监督管理局和美国疾病控制与预防中心下属的国家职业安全与健康研究所的认证。
呼吸机重新设计
与 N95 呼吸器一样，呼吸机也必须符合极其严格的标准。当 COVID-19 患者血液中的氧气含量降至危险水平时，这些机器会尝试为他们呼吸。但是，即使制造商提高了生产速度，这些复杂而昂贵的设备在世界各地仍然供应有限。
“在英国，问题在于我们的呼吸机制造商非常出色——但目前的年生产能力约为 2,000 台，”牛津大学的工程师马克·汤普森说。他指出，该国将需要比这多得多的机器，以支持未来几个月内估计需要它们的 COVID-19 患者人数。“仅仅扩大我们任何一家呼吸机制造商的生产规模是不可能的，”他说。“它需要一个完全不同的解决方案。”
汤普森是几位带头开发一次性呼吸机替代品的研究人员之一，其灵感来自于现有的产品：挤压袋，这种袋子是医护人员在紧急情况下用来手动控制病人呼吸的。通过氧气供应和一个自动挤压和释放过程的装置，这种设备可以帮助感染者长时间呼吸，其方式类似于呼吸机。在这种情况下，汤普森的团队希望用现成的零部件来实现自动化过程，以使该设备更容易制造。“本质上，它围绕着这样一个想法：拥有大量广泛可用的一次性物品，这些物品都是面向患者的设备，”他说。经过一个飞速发展的两周开发期后，汤普森和他的同事们开始测试他们的呼吸机替代品，名为OxVent。他们目前正在进行第二轮测试，以获得英国药品和医疗保健产品监管机构的批准，该机构类似于美国的 FDA。一旦开发人员获得批准，他们计划让医疗设备制造商 Smith+Nephew 生产他们的开源设计。
OxVent 是为加快生产速度而重新设计呼吸机的早期尝试，但它不是唯一的竞争者。三个不同的物理学家小组开发了他们自己的紧急呼吸机原型。本月，CoVent-19 挑战赛发起了一项公开竞赛，征集新的呼吸机设计。计划是在短短两个月内完成开发。
这些设计不会像常规呼吸机那样复杂。例如，汤普森指出，他团队的产品在用于一名患者后必须丢弃。它还将缺乏全尺寸呼吸机所拥有的监测设备和警报。另一方面，通过使用莫泽的研究也依赖的那种分布式制造，公司将能够更快地扩大紧急呼吸机设计的生产。“挑战在于在疫情高峰期之前[制造]大约20,000台额外的呼吸机，”汤普森说。“我们认为，通过这种分布式系统，我们有机会做到这一点。”
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