尽管一位暗物质研究人员从事医疗仪器制造听起来很奇怪，但换种说法似乎就更好理解了：一个设计压缩氩气（以探测暗物质粒子）的精密仪器的专家开始探索压缩氧和氮。撰文 | 寂寞帅猫
责编 | 李珊珊
自1月份新冠疫情爆发以来，宅家的人们充分发挥了自己的娱乐精神：做饭、烤面包、阳台锻炼、看剧……不过，总有一些人，在做着些特殊的事，比如：为挽救生命而奔赴一线的医生和护士。而因疫情影响无法进入实验室的科学家们，又会做些什么？
来自普林斯顿大学的物理系教授克里斯蒂安·盖比亚提（Cristian Galbiati）就是这样。新冠疫情在欧洲爆发后，休假的他便被滞留在意大利。被隔离的他没有靠养花养草打发时间，而是主导发明了一款新型呼吸机，这对于因感染新冠肺炎而导致呼吸困难的患者而言无疑是一个福音。
在盖比亚提教授的主导下，来自12个国家的250多名的物理学家、工程师、医生等各行业专家加入了呼吸机的设计和生产工作。这款新型呼吸机体积轻便、所需零件少、花费仅需数百欧元（相同功效的呼吸机通常要上万欧元），适合量产。从3月19日到5月1日，仅用了六个星期的时间，他和团队设计的呼吸机就已经通过审批并进入批量生产阶段。克里斯蒂安·盖比亚提（Cristian Galbiati）毕业于米兰大学，自1999年以来一直在普林斯顿大学物理系任全职教授，过去的十五年内，盖比亚提和团队一直在研究暗物质，他的研究重点是暗物质的检测及其在同位素分离和健康科学中的应用 [1]。除了普林斯顿物理系教授的职位外，他在意大利拉奎拉的 Gran Sasso 科学研究所也有一个兼职的教学职位，他所从事的暗物质研究项目 DarkSide 便是在该研究所的实验室进行的。克里斯蒂安·盖比亚提 图源[2]
2019年9月，盖比亚提前往意大利休假。新冠肺炎爆发后，他便滞留在米兰暂未归国。滞留期间，盖比亚提给一位朋友发信息，祝贺他和家人为米兰新冠肺炎病房捐款。不幸的是，朋友告诉他，他们一家为支持病房建造而订购的呼吸机被制造商取消了 [2]。随后，有医生又向他透露了意大利的医院面临的窘况：医院里人满为患，而医生们只能用有限的呼吸机来治疗缺氧的病人，甚至只能被迫决定谁接受治疗，谁不接受治疗。作为第一个受到新冠肺炎大流行影响的欧洲国家，意大利被笼罩在阴影之中。“我们每天都被坏消息包围，许多人被新冠肺炎夺去了生命”，盖比亚提意识到，开发出能帮助新冠肺炎患者呼吸的设备是自己的责任。当时，几乎全世界的政府都在急切地寻找快速、廉价和可靠地制造呼吸机的方法：英国政府开始要求一些科技公司将其资源转换为呼吸机制造；美国各地大学的一些研究团队也正在努力开发成本低于1000美元的呼吸机 [5]。然而，从图纸设计、设备生产到性能测试，这一系列工作并非易事，所需周期也较长。想要在实验室关闭、工厂停工的情况下制造出这样一台机器在当时的情况下几乎不可能。
从压缩氩气到探索压缩氧和氮
短暂思考后，盖比亚提很快意识到，自己所研究的暗物质工作和呼吸机之间存在重要的重叠：暗物质搜索包括在气体处理系统和复杂控制系统方面的经验，这与医院呼吸机所需的功能相同 [4]。尽管暗物质研究人员从事医疗仪器制造听起来很奇怪，但换种说法似乎就更好理解了：一个设计压缩氩气（以探测暗物质粒子）的精密仪器的专家开始探索压缩氧和氮。图为盖比亚提和暗物质研究团队设计的暗物质探测器，它有一套精密的管道系统，可将液/气态的氩和氮从一系列的隔间循环导入和导出。这一循环系统中所广泛使用的泵和控制系统为建造MVM呼吸机提供了良好的技术背景。图源[4]
很快，盖比亚提开始召集他所领导的研究暗物质的同事，希望能利用大家的专业技能来开发一款新的呼吸机。消息迅速传播开来，一些国家（尤其是意大利，美国和加拿大）的工程师和物理学家加入进来，为这项工作提供无偿服务。从一开始，他们的目标就是研发出一种可以 “快速、大规模、基于可得的零件生产” 的设计，以满足新冠肺炎流行的需求。由于合作者分布在不同时区——这种合作，高能物理学家们可是轻车熟路了，因此呼吸机的设计和生产工作几乎可以全天候高速有效进行。功夫不负有心人，短短几天内 [3]，这支横跨美洲和欧洲的强大科学团队就以最低的成本完成了呼吸机原型机的制造，速度之快，效率之高，令人惊叹：三天后，盖比亚提和同事们就上传了第一份概述呼吸机设计的预印本；5月1日，呼吸机就获得了FDA的批准，表示其可以在美国安全使用。
盖比亚提和团队们给这款新型呼吸机命名为 Milano，全称为 Mechanical Ventilator Milano（MVM），由一个测量气体流量的流量计、一对控制流量的气动阀、一个压力传感器和用以控制气阀的微控制器组成 [5]。这台机器的灵感来源于上世纪60年代一款名为曼利（Manley）的呼吸机，团队利用现代的电子技术和控制系统对其加以改造优化，使得成品拥有设计简单、成本低廉、体积轻便等特点，只需要压缩氧气（或医用空气）和电源即可运行。此外，MVM还能利用排气管中的水柱重量来维持进出肺部的特定气压，并采用肺活量计（spirometer）来测量患者每次呼吸时肺部排出的气体量，以监测其呼吸方式。更重要的是，由于该设计只使用了少量的常见零件，因此成本只需几百欧元 [6]。
正在组装的MVM 图源[6]
MVM控制单元的3D图纸，图源[7]
“用到处都能找到的现成材料来制作一台简单到极致、但是能做到所有普通呼吸机应该做到的事的仪器—— 这是克里斯蒂安的初始愿景，我觉得他将其实现得非常出色。” 团队成员之一、曾在普林斯顿任教的2015年诺贝尔物理学奖得主阿瑟·麦克唐纳（Art McDonald）评论道。在与赛先生的对话中，盖比亚提介绍了这项工作的资金来源：国际合作者们用自己的资金启动了该项目，并发起了一项筹资活动以支持首批10000台呼吸机的生产（https://www.gofundme.com/f/emmevieme）。目前，相关制造商正在与团队合作以推进呼吸机的生产，第一批呼吸机将投入受重创的意大利本地医院，其次将支援美国、加拿大和其他疫情严重的国家。当前，盖比亚和团队还在继续努力筹集资金，计划将这款呼吸机发放给缺乏独立生产能力的国家，为世界上的欠发达地区减轻经济和医疗负担。
参考资料：
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/
