از فضاپیما تا تجهیزات پزشکی؛ چگونه تیمی از مهندسان ناسا در تنها یک ماه دستگاه تنفس مصنوعی ساخت؟

دیوید ون بیورن که به‌عنوان مهندس در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا (JPL) مشغول به کار است، معمولا زمانش را صرف طراحی و ساخت ابزار برای تلسکوپ‌های فضایی یا ربات‌هایی می‌کند که دیگر جهان‌ها را در منظومه‌ی شمسی کاوش خواهند کرد. اما ون بیورن و گروهی از همکارانش در JPL در طول یک ماه گذشته مشغول کار روی پروژه‌ای بوده‌اند که از حیطه‌ی تخصصی آن‌ها به‌کلی دور بوده است: ساخت دستگاه تنفس مصنوعی (ونتیلاتور) برای کمک به بیماران مبتلا به کووید ۱۹.

هرچند ون بیورن پیش‌تر اندکی تجربه در زمینه‌ی مهندسی پزشکی داشت، درگذشته هرگز دستگاه تنفس مصنوعی طراحی نکرده بود. اما او و همکارانش در JPL پیش‌تر وسایلی را ساخته بودند که هیچ تجربه‌ای در ساختشان نداشتند. درحقیقت، آن‌ها سابقه‌ی ساخت چیزهایی را دارند که هیچ‌کس تجربه‌ی ساختشان را ندارد.

ون بیورن به خبرگزاری ورج گفت «وقتی یک دانشمند نزد ما می‌آید و می‌گوید قصد رفتن به قمر مشتری و حفر یخ را دارد تا ببیند زیر آن چه چیزی است، درخواست انجام کاری را دارد که پیش‌تر هرگز انجام نشده است. ما به دیدن مسائل جدید و کشف نحوه‌ی انجام آن‌ها عادت داریم؛ اموری که مردم پیش‌تر انجام نداده‌اند یا دست‌کم خودمان قبلا انجام نداده‌ایم.»

وایتال مخصوص افراد مبتلا به کووید ۱۹ طراحی شده و همین امر به هدایت طراحی آن کمک کرده است. ون بیورن می‌گوید «تمام قابلیت‌های غیرضروری دستگاه حذف شده است تا فقط آن عملکردهای لازم برای بیماران کووید ۱۹ باقی بماند.»

دستگاه تنفس مصنوعی وایتال

ون بیورن در طول ماه‌های ژانویه و فوریه با نگرانی فزاینده درحال دنبال‌کردن اخبار مربوط به انتشار ویروس کرونا در چین بود. پس از آغاز شیوع آنفلوانزای خوکی در سال ۲۰۰۹ و هنگامی که دختر ون بیورن به‌دلیل ابتلا به این بیماری در بیمارستان بستری شد، خطرات دنیاگیری یک بیماری به‌خوبی در ذهن او ماندگار شد.

وقتی در اوایل ماه مارس معلوم شد که انتشار اجتماعی کووید ۱۹ در واشنگتن و کالیفرنیا اتفاق افتاده است، ون بیورن تمرکز خود را به آنچه می‌تواند برای کمک انجام دهد، معطوف کرد. مدل‌های اولیه نشان می‌دادند که بیمارستان‌ها از ظرفیت یا تجهیزات کافی برای رسیدگی به هجوم بیماران کووید ۱۹ برخوردار نیستند. ون بیورن بدین نتیجه رسید که آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا می‌تواند سرمایه‌ی ارزشمندی در مبارزه با ویروس کرونا باشد. یک روز ون بیورن به‌طور غیرمنتظره در مرکز کافه‌تریا با راب مانینگ، مهندس ارشد JPL رودررو شد و با او درباره‌ی اینکه چه کمکی از دستشان ساخته است، شروع به صحبت کرد. ون بیورن می‌گوید «هردو مشغول فکر کردن بودیم. باتوجه به وضعیت و آنچه هردو تشخیص داده بودیم درشرف وقوع است، شاید پروژه‌هایی که وقتمان را صرف آن‌ها می‌کردیم، مهم‌ترین اموری نبودند که می‌توانستیم انجام دهیم.»

مانینگ برای تشکیل تیمی کوچک، پول پیدا کرد و پروژه در ۱۶ مارس آغاز شد. گروه با یک متخصص ریه به‌نام مایکل گورویچ که برای دهه‌ها مشغول کار روی دستگاه‌های تنفس مصنوعی بود، تماس گرفت. او از راه رسید و وسایل لازم برای ساخت ونتیلاتور را به‌طور دقیق برای تیم شرح داد و درهمین‌حال، یکی از کارمندان JPL یادداشت‌برداری مفصل روی وایت‌بورد بزرگی را شروع کرد.

ون بیورن می‌گوید «ما کمابیش از چهارچوبی استفاده کردیم که هنگام ساخت ابزار برای فرود روی مریخ و مثلا حفر سطح برای اندازه‌گیری آنچه در زیر وجود دارد، به‌کار می‌گیریم. ما با دانشمندان درگیر هستیم. در این مورد، برای اطلاع از آنچه نیاز داریم، با متخصصان بالینی ارتباط تنگاتنگ داشتیم تا بدین وسیله بتوانیم یک ابزار یا در این مورد یک ونتیلاتور را مهندسی کنیم.»

درنهایت دیگر کارمندان JPL ازجمله میشل ایستر به پروژه پیوستند. او به‌طور معمول روی سازوکارهایی با عنوان عملگرها کار می‌کند. این موتورها برای به‌کارانداختن یا چرخاندن ابزارهایی نظیر پنل‌های خورشیدی درحین مأموریت به‌کار می‌روند. ایستر به ورج گفت «عملگرها اغلب ترکیبی از مکانیسم و الکترونیک هستند و ماهیت دستگاه وایتال دقیقا از همین تشکیل می‌شود؛ یعنی مکانیسمی است که ابزارهای الکترونیکی آن را کنترل می‌کنند و این نوع طراحی برای من بسیار راحت است.»

درنهایت تیم برسر طراحی نهایی وایتال به توافق رسید. ازآنجا که این دستگاه برای بیماران کووید ۱۹ طراحی شده، تمرکزش رساندن دقیق هوا به ریه‌های خشک است؛ نشانه‌ای بارز که از وجود ویروس در دستگاه تنفسی خبر می‌دهد. ریه‌های خشک به‌سختی می‌توانند منبسط شوند؛ ازاین‌رو بیماران به‌منظور دریافت هوای کافی برای تنفس در تقلا هستند. وایتال با هدف فراهم‌کردن فشار هوای کافی برای بیماران طراحی شده است تا ریه‌هایشان را متورم کند؛ اما نه به‌اندازه‌ای که موجب انبساط بیش از حد آن‌ها شود.

دستگاه، همچنین به‌نحوی فعالیت می‌کند تا مطمئن شود که ریه‌ها به‌طور کامل خالی از هوا نمی‌شوند. بیماران کووید ۱۹ به نوعی آسیب ریه دچار هستند که موجب می‌شود اطراف ریه‌هایشان ملتهب و چسبناک شود. اگر تمام هوا از ریه‌های بیماران خارج شود و اطراف آن‌ها همدیگر را لمس کنند، ممکن است به یکدیگر بچسبند و بازکردن دوباره‌شان به‌مراتب دشوارتر باشد. درنتیجه وایتال تلاش می‌کند هروقت بیماران هوا را به بیرون می‌فرستند، ریه‌ها را قدری متورم نگاه دارد.

آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا از امکانات مختلفی برای آزمایش برخوردار است: نظیر محفظه‌ی خلاء بسیار بزرگ که برای قراردادن فضاپیما درمعرض محیط‌های سخت به‌کار می‌رود.

اکنون که تیم روی نسخه‌ی آزمایشی کار می‌کند، به‌همراه دستگاه به مرحله‌ی آزمایش محیطی رفته است. هرزمان ناسا بخواهد فضاپیمایی را به جهانی دیگر بفرستد، باید ازقبل آن را درمعرض موقعیت‌های سخت نظیر دمای بسیار متغیر، لرزش‌های شدید، صداهای بلند و ... قرار دهد تا دریابد آیا کاوشگرش قادر به تحمل محیط خشن فضا است یا نه. برای کیفیت‌سنجی تجهیزات پزشکی نیز اغلب از همین آزمایش‌ها استفاده می‌شود و JPL امکانات لازم برای اجرای آن‌ها نظیر محفظه‌ی خلاء بسیار بزرگ و تجهیزات برای لرزاندن دقیق سخت‌افزارها را دراختیار دارد.

ایستر می‌گوید «ما سازنده‌ی فضاپیما و نه دستگاه‌های پزشکی هستیم؛ اما عناصر بسیار مشابهی بین این دو وجود دارد. آن‌ها هردو به دلایل مختلف باید سامانه‌هایی با اطمینان‌پذیری بسیار بالا باشند. برای فضاپیما، به‌محض اینکه آن را درون فضا قرار دهید، دیگر هرگز نمی‌توانید بروید و تعمیرش کنید. درنتیجه باید مطمئن شویم که فضاپیمایمان به‌کلی بی‌نقص است و در تمام موقعیت‌ها دقیقا همان‌طور که انتظار داریم، عمل می‌کند. سپس البته برای دستگاه‌های پزشکی، ما آن را به انسان متصل می‌کنیم؛ از این‌رو باید مطمئن شویم که به آن فرد آسیب نمی‌زنیم. آن‌ها هردو بسیار بسیار مهم هستند.»

در ۳۰ آوریل، سازمان غذا و دارو به JPL گفت وایتال تاییدیه‌ی استفاده در مواقع اضطراری را دریافت خواهد کرد. اکنون که FDA ونتیلاتور ناسا را تأیید کرده است، تیم سازنده طراحی دستگاه را برای دیگر شرکت‌ها ارسال خواهد کرد تا آن‌ها بتوانند وایتال را در حجم انبوه تولید کنند و به بیمارستان‌هایی که نیاز دارند، بفرستند. ون بیورن می‌گوید «ما تولیدکننده نیستیم و صرفا یک یا دو نمونه ار هرچیز می‌سازیم و آن را به مریخ یا زحل یا هرجای دیگر می‌فرستیم. بنابراین، با چندین شرکت تماس گرفته‌ایم تا در درک جنبه‌های تولید انبوه به ما کمک کنند.»

معلوم نیست وقتی ونتیلاتور وایتال به سرتاسر جهان ارسال شود، تیم ناسا چه مسیری را ادامه خواهد داد. اغلب افراد حاضر در گروه، پروژه‌های معمول خود را متوقف کرده‌اند تا در سریع‌ترین زمان ممکن ونتیلاتور را آماده کنند؛ درنتیجه احتمالا خیلی زود بر سر پروژه‌های طراحی کاوشگرهای میان‌سیاره‌ای بازخواهند گشت. با این حال، اعضای تیم اکنون به‌واسطه‌ی تجربه‌ی مختصری که در دنیای پزشکی به‌دست آورده‌اند، احساس خوشنودی بیشتری دارند. ایستر تصور می‌کند هر عضو تیم از اینکه در این کار گروهی سهیم بوده، بسیار قدردان است. به‌گفته‌ی او، «دستاورد تیم قطعا به ما کمک می‌کند که در مواقع درماندگی احساس توانمندی کنیم.»