La crisi provocata da COVID-19, uno stimolo per il talento ingegneristico

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Non vi è nulla come le avversità per stimolare l’ingegno e ispirare l’innovazione. Tra le numerose dimostrazioni a sostegno di questa affermazione si possono citare i casi del salvataggio nella grotta di Tham Luang (in Thailandia) nel 2018 e l’incidente in miniera avvenuto a Copiapó (Cile) nel 2010. In entrambi i casi sono balzati agli onori delle cronache l’esperienza e le competenze ingegneristiche, sottolineando le potenzialità degli ingegneri in quei frangenti in cui sono in gioco vite umane.

Nel momento in cui la malattia da coronavirus (COVID-19) si è trasformata da un focolaio geograficamente localizzato in una pandemia, sono emersi rapidamente i limiti di una società incapace di reagire in maniera efficace alle problematiche indotte da questa evento improvviso. I servizi sanitari delle nazioni più avanzate sono stati sottoposti a livelli di stress straordinari, sollevando quindi seri dubbi sulle capacità dei Paesi meno avanzato di gestire le inevitabili conseguenze. Già a partire dallo scorso mese di marzo, sono state essenzialmente due le esigenze primarie: la necessità di apparecchiature di ventilazione e la domanda straordinariamente elevata di dispositivi di protezione individuali (PPE – Personal Protective Equipment).

Le community ingegneristiche in tutto il mondo hanno raccolto la sfida portata da COVID-19 sviluppando tool e tecnologie innovative per contribuire a contrastare gli effetti dell’epidemia e risultati sono stati sorprendenti.

Figura 1: Le stazioni di lavoro elettroniche di Makerspace Madrid.

Una stampante per ovviare alle carenze

Il termine dispositivi di protezione individuali è stato impresso nel subconscio della popolazione mondiale nel momento in cui tutti i media sottolineavano nel corso dei loro notiziari la mancanza di camici, maschere respiratorie e visiere. Mentre alcuni di questi dispositivi di protezione possono essere riutilizzati, il maggior problema è rappresentato dalla forte richiesta di dispositivi monouso. Ad esempio la carenza di respiratori N95 è in parte imputabile alla domanda aggiuntiva proveniente da lavoratori che operano in prima linea ma non fanno parte degli staff sanitari, domande che è stata ulteriormente esasperata dalla richiesta di privati cittadini che cercano di acquistarli

La community dei maker si è subito attivata fornendo una molteplicità di risposte in tempi rapidi. Grazie alla diffusione delle stampanti 3D e alla disponibilità di software di progettazione gratuito, centinaia di progetti per visiere e respiratori sono stati condivisi in maniera aperta in tutto il mondo. Si tratta di un fatto sorprendente se si pensa che solo fino a una decina di anni fa questo approccio che prevede una produzione di massa comune assolutamente non esisteva. Grazie ai cosiddetti “makerspace” (in sintesi delle officine open source dove gli associati condividono conoscenze e competenze) sparsi in tutto il mondo, molte persone hanno accesso a più stampanti 3D in grado di produrre centinaia di pezzi al giorno.

Con la disponibilità di questo potenziale presso le varie community, il problema successivo è mettere in contatto i maker con le realtà che hanno bisogno di questi dispositivi. E’ chiaro che strutture ospedaliere e case di cura sarebbero subissate da chiamate nel caso decine di maker si mettessero quotidianamente in contatto per offrire il proprio aiuto. Gruppi come NYCMakesPPE¹ hanno contribuito a evitare ciò, fungendo da intermediari e coordinando le richieste degli operatori sanitari di New York City con le offerte delle community dei maker e di maker singoli. Questi hanno anche condiviso progetti sia di schermi facciali stampati in 3D sia di maschere in tessuto in grado di soddisfare le specifiche esigenze di coloro che operano in campo sanitario.

Diverso il discorso per i respiratori che come tutte le apparecchiature usate in campo medicale devono soddisfare i severi standard di sicurezza in vigore nel settore. I National Institutes of Health (NIH)² statunitensi hanno fornito un progetto per una maschera con filtri sostituibili ma la sua realizzazione deve avvenire in un sito certificato ISO 13485 e comporta l’uso di una stampante MJF (Multi-Jet Fusion) o SLS (Selective Laser Sintering).

Figura 2: Il prototipo del solenoide e della valvola a manicotto sul banco di lavoro

Collaborazione e reverse engineering

Collaborazioni tra organizzazioni e aziende che operano in un settore diverso da quello medicale sono state avviate in molti Paesi e grazie a esse è stato possibile sviluppare soluzioni in tempi rapidi capaci di soddisfare la domanda di apparecchiature. In ogni caso, quando si tratta della salvaguardia dei pazienti, è senza dubbio meglio partire da un progetto che non solo abbia dimostrato di funzionare, ma sia anche approvato dagli Enti competenti. Sfruttando questo approccio, il team di Formula Uno di Mercedes ha effettuato un’operazione di reverse-engineering su un dispositivo CPAC (Continuous Positive Airway Pressure, ovvero un dispositivo di ventilazione a pressione positiva continua) per il quale era scaduto la copertura brevettuale. Questo dispositivo, di tipo non invasivo, somministra al paziente una miscela di aria e ossigeno a una pressione superiore a quella normale. Il paziente, di conseguenza, può respirare più facilmente. Il primo dispositivo è stato prodotto nell’arco di 100 ore e il sito inglese di Brixwork è stato opportunamente adattato per avviare la produzione di massa in tempi brevissimi. Questa rielaborazione di un progetto esistente ha ricevuto rapidamente l’approvazione da parte dell’MRHA (Medicines & Healtcare products Regulatory Agency). Non solo questo dispositivo ha contribuito ad attenuare la pressione sui servizi sanitari britannici, ma utilizza anche una quantità di ossigeno inferiore del 70% rispetto al suo predecessore. Mercedes, inoltre, ha reso pubblico (e gratuito) il progetto di questo auto-respiratore.

Nei casi di insufficienze respiratorie più severe, è necessaria una forma di ventilazione più invasiva che richiede l’intubazione. Tre società britanniche, TTP, Dyson e JCB si sono unite per rispondere alla richiesta del Governo di disporre di un numero maggiore di ventilatori per adulti. E’ stato quindi messo a punto un nuovo ventilatore, denominato “coVent”: si tratta di un apparecchio che si monta sul letto, equipaggiato con batterie di backup che può essere utilizzato sia nelle strutture ospedaliere tradizionali sia negli ospedali da campo. Il progetto, principalmente di ispirazione TTP, sfrutta la tecnologia dei motori digitali Dyson ad alta efficienza e lo stabilimento di JCB per la realizzazione dell’involucro in acciaio. Ma nel momento in cui è diminuita la pressione sul sistema sanitario britannico, quest’ultimo ha cancellato l’ordine. Se si fosse concretizzato, sarebbe stata una dimostrazione eccezionale di ingegneria collaborativa da parte di aziende profondamente diverse tra di loro. In ogni caso, qualora il Regno Unito richiedesse in futuro apparecchiature di questo tipo, potrà contare su questa disponibilità.

Figura 3: Un prototipo iniziale, completo di modello per uso medicale, fornito da un ospedale locale

Le community: un riferimento importante

Purtroppo negli ultimi anni sono stati numerosi i focolai di malattie respiratorie e COVID-19 non sarà certamente l’ultimo. Poichè i costi dei ventilatori portatili sono ora dell’ordine delle migliaia di dollari e quelli dei ventilatori utilizzati negli ospedali hanno raggiunto i 30.000 dollari, è chiaro che non tutte le nazioni possono permettersi di effettuare gli investimenti necessari per procurarsi apparecchiature il cui uso primario è per un intervento medico “extema rato”.

Makespace Madrid, in Spagna, è una delle numerose community di maker che hanno raccolto la sfida di realizzare un ventilatore a basso costo. Piuttosto che partire da zero, Javier Fernández e un team composto da altre 7 persone si sono basati su un progetto avviato presso un’Università prestigiosa come il MIT. Il fattore che aveva dato l’avvio al progetto era stato la pandemia scatenata nel 2009 dal virus H1N1, più nota come influenza suina, che si è diffusa in tutto il mondo provocando in alcuni dei pazienti colpiti una sindrome respiratoria acuta (ARDS – Acute Respiratory Distress Syndrome). Il principio cui si ispirava il progetto era la meccanizzazione dei ventilatori BVM (Bag-Valve Mask) azionati a mano.

Comunque, una volta entrati in contatto con i medici professionisti, gli sforzi di questo team si sono focalizzati su una proposta di progetto che prevede l’utilizzo di un solenoide pneumatico e una valvola a manicotto, seguendo il suggerimento di un medico che era stato condiviso su un forum di maker spagnoli. L’attuale pandemia ha provocato una carenza su scala globale di valvole per uso medicale, per cui il team in questione ha dovuto svilupparla per conto proprio. Poichè la pandemia ha ovviamente avuto ricadute negativa anche sulla supply chain, il team spagnolo ha incontrato difficoltà nel reperire sensori di flusso e altri componenti necessari per il progetto. Venuto a conoscenza di tale progetto, il team locale di supporto ai clienti di Mouser è stato in grado di intervenire e fornire a titolo gratuito i componenti necessari per supportare il progetto di questi sviluppatori innovativi.

In ultima analisi Javier e il suo team si pongono l’obiettivo di sviluppare un progetto aperto di un ventilatore “base” e accessibile che possa soddisfare le esigenze terapeutiche dei pazienti colpiti da COVID-19. Nello stesso tempo, grazie alla precise e puntuali annotazioni disponibili sul sito Web (wiki)⁴ del progetto, i team ha condiviso le proprie competenze con community più ampie in modo da consentire il miglioramento del progetto e il suo utilizzo su scala mondiale.

Il ruolo degli standard

Uno degli aspetti che provoca forse la maggior confusione per la popolazione è rappresentato dalle linee guida relative al corretto utilizzo delle mascherine. Mentre i cittadini dei Paesi asiatici sembrano quasi contenti di indossare questi dispositivi di protezione, nel mondo occidentale tale pratica viene vista con perplessità, se non addirittura con un certo imbarazzo. Per gli operatori sanitari, le maschere fanno parte dell’equipaggiamento protettivo, ragion per cui l’atto di indossare e togliere la maschera è parte di un processo finalizzato a ridurre al minimo il rischio di infezione. Non è certamente semplice come indossare una sciarpa e vi sono precise regole da seguire per garantire un utilizzo corretto e sicuro.

Mentre i principi che stanno alla base del funzionamento di dispositivi CPAP, ventilatori o visiere protettive sembra essere chiaro, vi è una ragion per cui solo un numero limitato di aziende investe nello sviluppo e nella realizzazione di apparecchiature medicali. A causa dei rischi per la vita umana che il loro utilizzo comporta, è necessario implementare processi di controllo qualità e gestione del rischio che sono definiti in standard come ISO 13485 e ISO 14971. I dispositivi medicali, inoltre, devono risultare conformi ai requisiti previsti dallo standard IEC 60601, che definisce i criteri per i collaudi di compatibilità elettromagnetica (EMC), finalizzati a proteggere sia l’apparecchiatura sia tutti coloro che operano nelle immediate vicinanze. Come è stato illustrato negli esempi di progetti riportati in questo articolo, la collaborazione e l’osservanza delle linee guida delineate sia dagli operatori sanitari che operano in prima linea sia dalle varie Autorità che si occupano della definizione degli standard sono elementi essenziali per garantire lo sviluppo di progetti sicuri e in grado di soddisfare “in toto” le richieste degli utilizzatori.

Considerazioni conclusive

La rapida diffusione di COVID-19 ha avuto un impatto drammatico sulla popolazione mondiale, facendola precipitare in una situazione che nessuno avrebbe mai immaginato e che è auspicabile non si ripeta. Contemporaneamente, le complesse sfide associate alla mancanza di apparecchiature ha dato nuova linfa all’ingegno in tutto il mondo. Le nuove forme di collaborazione che si sono instaurate tra singoli, aziende, maker e operatori sanitari si sono rivelate molto utili sia per affrontare in modo competente situazioni di carenze immediate sia per cercare di risolvere sul lungo termine le deficienze circa la modalità con cui viene fornita l’assistenza sanitaria in tutto il mondo.

¹  https://nycmakesppe.com

²  https://3dprint.nih.gov/discover/3dpx-014168

³  https://www.mercedesamgf1.com/en/news/2020/04/ucl-uclh-f1-project-pitlane-start-delivery-breathing-aids-nhs-hospitals/

⁴  https://github.com/makespacemadrid/ApolloVentilator/wiki

In qualità di Technical Marketing Manager for EMEA  per Mouser Electronics, Mark Patrick è responsabile della creazione e della diffusione di contenuti tecnici all’interno della regione, contenuti fondamentali per la strategia di Mouser volta a supportare, informare e ispirare il suo pubblico di ingegneri.

Mark Patrick, Mouser Electronics

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