盡管一位暗物質(zhì)研究人員從事醫(yī)療儀器制造聽起來很奇怪，但換種說法似乎就更好理解了：一個(gè)設(shè)計(jì)壓縮氬氣（以探測暗物質(zhì)粒子）的精密儀器的專家開始探索壓縮氧和氮。撰文 | 寂寞帥貓
責(zé)編 | 李珊珊
自1月份新冠疫情爆發(fā)以來，宅家的人們充分發(fā)揮了自己的娛樂精神：做飯、烤面包、陽臺鍛煉、看劇……不過，總有一些人，在做著些特殊的事，比如：為挽救生命而奔赴一線的醫(yī)生和護(hù)士。而因疫情影響無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，又會做些什么？有的科學(xué)家，一個(gè)人在家，也能 “一呼百應(yīng)”；不進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，照樣可以進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)；
來自普林斯頓大學(xué)的物理系教授克里斯蒂安·蓋比亞提（Cristian Galbiati）就是這樣。新冠疫情在歐洲爆發(fā)后，休假的他便被滯留在意大利。被隔離的他沒有靠養(yǎng)花養(yǎng)草打發(fā)時(shí)間，而是主導(dǎo)發(fā)明了一款新型呼吸機(jī)，這對于因感染新冠肺炎而導(dǎo)致呼吸困難的患者而言無疑是一個(gè)福音。
在蓋比亞提教授的主導(dǎo)下，來自12個(gè)國家的250多名的物理學(xué)家、工程師、醫(yī)生等各行業(yè)專家加入了呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作。這款新型呼吸機(jī)體積輕便、所需零件少、花費(fèi)僅需數(shù)百歐元（相同功效的呼吸機(jī)通常要上萬歐元），適合量產(chǎn)。從3月19日到5月1日，僅用了六個(gè)星期的時(shí)間，他和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的呼吸機(jī)就已經(jīng)通過審批并進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。克里斯蒂安·蓋比亞提（Cristian Galbiati）畢業(yè)于米蘭大學(xué)，自1999年以來一直在普林斯頓大學(xué)物理系任全職教授，過去的十五年內(nèi)，蓋比亞提和團(tuán)隊(duì)一直在研究暗物質(zhì)，他的研究重點(diǎn)是暗物質(zhì)的檢測及其在同位素分離和健康科學(xué)中的應(yīng)用 [1]。除了普林斯頓物理系教授的職位外，他在意大利拉奎拉的 Gran Sasso 科學(xué)研究所也有一個(gè)兼職的教學(xué)職位，他所從事的暗物質(zhì)研究項(xiàng)目 DarkSide 便是在該研究所的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。克里斯蒂安·蓋比亞提 圖源[2]
2019年9月，蓋比亞提前往意大利休假。新冠肺炎爆發(fā)后，他便滯留在米蘭暫未歸國。滯留期間，蓋比亞提給一位朋友發(fā)信息，祝賀他和家人為米蘭新冠肺炎病房捐款。不幸的是，朋友告訴他，他們一家為支持病房建造而訂購的呼吸機(jī)被制造商取消了 [2]。隨后，有醫(yī)生又向他透露了意大利的醫(yī)院面臨的窘?jīng)r：醫(yī)院里人滿為患，而醫(yī)生們只能用有限的呼吸機(jī)來治療缺氧的病人，甚至只能被迫決定誰接受治療，誰不接受治療。作為第一個(gè)受到新冠肺炎大流行影響的歐洲國家，意大利被籠罩在陰影之中。“我們每天都被壞消息包圍，許多人被新冠肺炎奪去了生命”，蓋比亞提意識到，開發(fā)出能幫助新冠肺炎患者呼吸的設(shè)備是自己的責(zé)任。當(dāng)時(shí)，幾乎全世界的政府都在急切地尋找快速、廉價(jià)和可靠地制造呼吸機(jī)的方法：英國政府開始要求一些科技公司將其資源轉(zhuǎn)換為呼吸機(jī)制造；美國各地大學(xué)的一些研究團(tuán)隊(duì)也正在努力開發(fā)成本低于1000美元的呼吸機(jī) [5]。然而，從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、設(shè)備生產(chǎn)到性能測試，這一系列工作并非易事，所需周期也較長。想要在實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉、工廠停工的情況下制造出這樣一臺機(jī)器在當(dāng)時(shí)的情況下幾乎不可能。
從壓縮氬氣到探索壓縮氧和氮
短暫思考后，蓋比亞提很快意識到，自己所研究的暗物質(zhì)工作和呼吸機(jī)之間存在重要的重疊：暗物質(zhì)搜索包括在氣體處理系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)方面的經(jīng)驗(yàn)，這與醫(yī)院呼吸機(jī)所需的功能相同 [4]。盡管暗物質(zhì)研究人員從事醫(yī)療儀器制造聽起來很奇怪，但換種說法似乎就更好理解了：一個(gè)設(shè)計(jì)壓縮氬氣（以探測暗物質(zhì)粒子）的精密儀器的專家開始探索壓縮氧和氮。圖為蓋比亞提和暗物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的暗物質(zhì)探測器，它有一套精密的管道系統(tǒng)，可將液/氣態(tài)的氬和氮從一系列的隔間循環(huán)導(dǎo)入和導(dǎo)出。這一循環(huán)系統(tǒng)中所廣泛使用的泵和控制系統(tǒng)為建造MVM呼吸機(jī)提供了良好的技術(shù)背景。圖源[4]
很快，蓋比亞提開始召集他所領(lǐng)導(dǎo)的研究暗物質(zhì)的同事，希望能利用大家的專業(yè)技能來開發(fā)一款新的呼吸機(jī)。消息迅速傳播開來，一些國家（尤其是意大利，美國和加拿大）的工程師和物理學(xué)家加入進(jìn)來，為這項(xiàng)工作提供無償服務(wù)。從一開始，他們的目標(biāo)就是研發(fā)出一種可以 “快速、大規(guī)模、基于可得的零件生產(chǎn)” 的設(shè)計(jì)，以滿足新冠肺炎流行的需求。由于合作者分布在不同時(shí)區(qū)——這種合作，高能物理學(xué)家們可是輕車熟路了，因此呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作幾乎可以全天候高速有效進(jìn)行。功夫不負(fù)有心人，短短幾天內(nèi) [3]，這支橫跨美洲和歐洲的強(qiáng)大科學(xué)團(tuán)隊(duì)就以最低的成本完成了呼吸機(jī)原型機(jī)的制造，速度之快，效率之高，令人驚嘆：3月20日，新型呼吸機(jī)通過了首次功能測試；三天后，蓋比亞提和同事們就上傳了第一份概述呼吸機(jī)設(shè)計(jì)的預(yù)印本；5月1日，呼吸機(jī)就獲得了FDA的批準(zhǔn)，表示其可以在美國安全使用。
蓋比亞提和團(tuán)隊(duì)們給這款新型呼吸機(jī)命名為 Milano，全稱為 Mechanical Ventilator Milano（MVM），由一個(gè)測量氣體流量的流量計(jì)、一對控制流量的氣動閥、一個(gè)壓力傳感器和用以控制氣閥的微控制器組成 [5]。這臺機(jī)器的靈感來源于上世紀(jì)60年代一款名為曼利（Manley）的呼吸機(jī)，團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)代的電子技術(shù)和控制系統(tǒng)對其加以改造優(yōu)化，使得成品擁有設(shè)計(jì)簡單、成本低廉、體積輕便等特點(diǎn)，只需要壓縮氧氣（或醫(yī)用空氣）和電源即可運(yùn)行。此外，MVM還能利用排氣管中的水柱重量來維持進(jìn)出肺部的特定氣壓，并采用肺活量計(jì)（spirometer）來測量患者每次呼吸時(shí)肺部排出的氣體量，以監(jiān)測其呼吸方式。更重要的是，由于該設(shè)計(jì)只使用了少量的常見零件，因此成本只需幾百歐元 [6]。
正在組裝的MVM 圖源[6]
MVM控制單元的3D圖紙，圖源[7]
“用到處都能找到的現(xiàn)成材料來制作一臺簡單到極致、但是能做到所有普通呼吸機(jī)應(yīng)該做到的事的儀器—— 這是克里斯蒂安的初始愿景，我覺得他將其實(shí)現(xiàn)得非常出色。” 團(tuán)隊(duì)成員之一、曾在普林斯頓任教的2015年諾貝爾物理學(xué)獎得主阿瑟·麥克唐納（Art McDonald）評論道。在與賽先生的對話中，蓋比亞提介紹了這項(xiàng)工作的資金來源：國際合作者們用自己的資金啟動了該項(xiàng)目，并發(fā)起了一項(xiàng)籌資活動以支持首批10000臺呼吸機(jī)的生產(chǎn)（https://www.gofundme.com/f/emmevieme）。目前，相關(guān)制造商正在與團(tuán)隊(duì)合作以推進(jìn)呼吸機(jī)的生產(chǎn)，第一批呼吸機(jī)將投入受重創(chuàng)的意大利本地醫(yī)院，其次將支援美國、加拿大和其他疫情嚴(yán)重的國家。當(dāng)前，蓋比亞和團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)努力籌集資金，計(jì)劃將這款呼吸機(jī)發(fā)放給缺乏獨(dú)立生產(chǎn)能力的國家，為世界上的欠發(fā)達(dá)地區(qū)減輕經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
參考資料：
1.https://www.gssi.it/people/professors/lectures-physics/item/2132-galbiati-cristian
2.https://www.princeton.edu/news/2020/04/09/particle-physicists-design-simplified-ventilator-covid-19-patients
3.https://www.discovermagazine.com/technology/how-to-build-a-mechanical-ventilator-for-a-few-hundred-euros
4.https://www.zdnet.com/article/astrophysicists-looking-for-dark-matter-invent-dirt-cheap-open-source-ventilator-to-combat-covid-19/
5.https://www.discovermagazine.com/technology/how-to-build-a-mechanical-ventilator-for-a-few-hundred-euros
6.https://www.forbes.com/sites/allisongasparini/2020/05/06/fda-approves-simple-and-cost-effective-ventilator-designed-by-particle-physics-community-to-address-coronavirus-related-shortages/#cccb8a36e7fc
7.https://physicsworld.com/a/physicists-unveil-new-simplified-ventilator-for-covid-19-patients/
