客观日本

【新型肺炎】疫情下的日式“创客运动”与众筹,紧急开发医用防护面罩

2020年08月25日 产学研合作

中岛 清一

大阪大学研究生院医学系研究科 新一代内窥镜治疗学共同研究讲座
特任教授

中岛 清一

新冠病毒感染持续扩大,为帮助医疗现场解决日益严重的防护用品不足问题,我们紧急开发了可以像透明文件夹那样用身边常见材料覆盖整个面部的全脸防护面罩,并通过基于3D打印的“草根运动”和基于众筹的“批量生产”两种形式实现了推广应用。通过使数字和模拟这两个对立的概念巧妙共存,取得了超越传统的产学合作活动和大学外延活动框架的巨大成果。

开发背景

新冠病毒感染从2020年初开始肆虐全球,至今势头仍未减弱。由于已经发展成在全球蔓延的大流行,口罩、防护服和防护面罩等预防感染所需的“个人防护用品”(Personal Protective Equipment:PPE)在各国均处于短缺状态。尤其是其中很多物品都依赖进口的日本,各地医疗一线从2月前后开始就出现严重的PPE短缺,再加上对院内感染的不安,导致了对“医疗崩溃”恐惧的大蔓延。就是我们医务人员之间,也逐渐出现强烈的不安。

这一时期,疫情比较严重的美国和意大利开展了“用3D打印机打印短缺医疗物资赠送医院”的活动。笔者所在的外科学会也开始积极地使用3D打印机打印人工呼吸机的适配器、口罩和防护面罩的框架等。医务人员与设计人员和工程师之间形成合力,推进了产学合作及医工合作。

笔者作为外科医生,在从事临床工作的同时,还长期主导与企业之间的医疗器械开发。大学时代还负责主持可以紧急启动制造项目的联合研究讲座“ENGINE”。ENGINE还运行着在国立研究开发法人日本医疗研究开发机构(AMED)的支援下成立的“制造工作室”。所以我们想到也许可以利用这些资源,紧急开发当时市场上已经完全买不到的防护面罩。

产品概要

防护面罩是保护身体免受飞沫和接触感染的PPE之一,主要由框架和防护罩构成。二者一体化的一次性用品比较多,但也有防护罩可以从框架上分离并更换的半一次性产品。由于医疗现场物资严重不足,开发时优先实现了以下两点:1)框架可以重复利用(分离型);2)防护罩可以使用身边常见的材料。因为时间非常紧迫,我们决定不手工试制任何原型,而是利用“制造工作室”里的3D造型系统,通过“快速成型”法开发。

框架的基本设计由参加ENGINE项目的镜框制造商Charmant公司(福井县鲭江市)的协助下完成,只有一种尺寸(男女通用),符合人体工学,佩戴舒适。另外,为确保安装防护罩的“双翼”部分能牢固地装配防护罩,以及能灵活应对不同类型和尺寸,在形状设计上费了一番工夫。在工作室里利用3D打印机反复输出这些造型数据,进行了原型制作。

防护罩“只要是高度透明的片状物品就都可以安装”,我们把目光转向了身边常见的文具——装文件的“透明文件夹”。透明文件夹可以像“面具”一样把整个面部都包裹起来进行保护,不仅能高度防御飞沫,也可以避免再用手指触碰眼睛、鼻子和嘴,因此还能预防接触感染。原则上要与无纺布口罩一起搭配使用,但即使遇到现场已经没有口罩的最坏情况,戴上这种“全脸”式面罩,也能得到最低限度的个人防护(Personal Protection)。透明文件夹还可以根据需要折叠或剪切,作为普通的开放型防护罩使用。

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由透明文件夹和3D打印框架制作而成的防护面罩

推广应用的“两种方式”

进行推广应用的第一种方式与开发阶段一样,也是通过3D打印技术。从构思开始,我们仅用3天就完成了框架的3D数据,4月初对外发布,在网上免费公开,从第一天开始访问量就非常大,甚至一度导致教室的服务器瘫痪。公开约10天后,SNS上就自发形成了用户小组,有1,000多名3D打印机爱好者、设计师和工程师参加。这个线上社区的成员发起了“草根活动”,利用自己的3D打印机制作框架,与防护罩一起免费提供给附近的医疗机构。

这项活动可以说是疫情时代的日式“创客运动”,随着被报纸和新闻反复报道,迅速扩大到全国各地,最多的时候,一天制作了几百个框架。成员之间每天都会围绕3D打印机使用的材料(细丝)种类、打印条件,以及框架设计的改良和更高效的打印方法等积极交换意见。在这个过程中,小组内形成了一种“集体智慧”,成为第二种推广应用方式的基础。

进行推广应用的第二种方式当然就是在工厂批量生产。这种传统方式存在一些问题,比如制作模具等需要花费时间和成本,而且中途不能变更设计等,但能实现3D打印无法比拟的大量制造。鉴于目前全国都面临PPE短缺的情况,我们认为,应该与3D打印的“草根运动”同步推进基于模具的批量生产。

量产项目的最大障碍是“资金”(模具制作、材料费、工厂的生产线使用费等),我们决定通过“众筹”方式寻求民间的支援。因为通过4月开始的一系列活动,我们切身感觉到,“保护对社会至关重要的医疗系统也是在保护自己”的意识已经逐渐在公众间生根发芽。这次众筹获得了超过初始目标金额7倍的支援金,我们利用这笔资金,于5~6月在4座工厂合计生产了20万个框架。与同样利用支援金采购的60万枚防护罩一起,免费送到了全国300多家医疗机构。作为产学合作,或者说作为大学的外延活动,取得了前所未有的成功。

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框架

有待解决的课题与对策

此次的项目利用众筹获得的民间资金,通过“传统的批量生产”方式顺利完成,但其基础是基于3D打印的“草根运动”。这种“草根运动”正是开放式创新,有很多优点,但开放也有缺点。比如,我们发现有不少人无所顾忌地拿着“禁止商用”、免费公开的3D数据去赚钱,还有人利用修改后的数据去制造产品,却没有在线上社区共享,如此种种,令人遗憾。

我们认为,在像此次这样的紧急开发的初期阶段,通过创客掀起的开放式创新最大限度发挥灵活性和集体智慧是一件好事。不过,主导开发的人需要事先考虑好应该在网络社区上公开什么和不公开什么,然后再启动项目。

这个领域还处于发展过程中,相关技术的创新也十分惊人。项目负责人需要具备灵活性,可以听取专家和经验人士的建议,还要具备领导能力,能够坚定地传达开发信息,并强有力地领导团队前进。

未来展望

我们为帮助解决新冠疫情造成的PPE短缺而开发的防护面罩,通过基于3D打印的“草根运动”和基于众筹的“批量生产”两种方式实现了推广和应用。数字与模拟、开放与封闭、、无厂与制造,这些概念往往被认为是对立的。但在我们的项目中,二者非但没有对立,还实现了有机结合(图1)。

3D打印最适合根据需要向附近的医疗设施小批量供应物资,完全不影响通过物流的力量大量投放物资。今后应该考虑一种能巧妙融合“数字制造”与“现实制造”,并从二者获得协同效应的机制。

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图1:基于3D打印的“草根运动”与基于众筹的“批量生产”

参考文献
【1】:克瑞斯·安德森(著),关美和 (翻译).《创客:新工业革命》.NHK出版.2012年
【2】:森兼启太(主编).《想明智地选择个人防护用品时立即阅读的书:寻找并学习关于PPE的一切 》(暂译名,《感染控制》2016年附册).Medica出版.2016年
【3】:星野达也(著).《开放式创新的教科书——利用公司外部技术开展业务的实践步骤》(暂译名).钻石社出版.2015年

日语发布原文

日文 中岛 清一(大阪大学研究生院医学系研究科 新一代内窥镜治疗学共同研究讲座 特任教授)
原载自JST《产学研合作月刊》2020年8月号
翻译编辑 JST客观日本编辑部

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