科技抗疫的工程化范式
——火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）

李雯琪陳戊榮蘇運(yùn)升陳均響溫麗娟

1.深圳華大基因股份有限公司 廣東深圳 518000；2.同濟(jì)大學(xué) 上海 200082;3.廣州開(kāi)發(fā)區(qū)醫(yī)院 廣東廣州 510730

1 研究背景

“火眼”實(shí)驗(yàn)室的原始創(chuàng)意來(lái)源于華大基因董事長(zhǎng)汪建。華大基因在疫情初期打造的火眼實(shí)驗(yàn)室主要用于新冠病毒核酸檢測(cè)，“火眼”取自中國(guó)四大名著之一《西游記》中孫悟空的“火眼金睛”。孫悟空的“火眼”能識(shí)別各種“妖魔鬼怪”，而“火眼”實(shí)驗(yàn)室可以把病毒精準(zhǔn)地檢測(cè)出來(lái)。

隨著海外疫情的陸續(xù)爆發(fā)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和病房建設(shè)周期長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，建設(shè)費(fèi)用高，不具備可移動(dòng)性和空運(yùn)模式，極大地限制了火眼實(shí)驗(yàn)室在海外國(guó)家的推廣。火眼”實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)自身創(chuàng)新性研究的實(shí)踐，幫助全球疫情得到控制?？焖傺邪l(fā)出在疫情爆發(fā)不確定性的應(yīng)急產(chǎn)品，用最短時(shí)間建成大量負(fù)壓空間，同時(shí)可方便儲(chǔ)存在全球不同國(guó)家的后備基地，疫情爆發(fā)后精準(zhǔn)調(diào)配到各個(gè)城市。通過(guò)飽和檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)感染者；通過(guò)飽和收治，極力降低病死率。

當(dāng)認(rèn)識(shí)到這是一場(chǎng)全球同時(shí)爆發(fā)的疫情，首先考慮的是如何在最短時(shí)間內(nèi)建成大量負(fù)壓空間，同時(shí)可空運(yùn)到世界各地。從去年2 月中旬開(kāi)始，同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院蘇運(yùn)升就構(gòu)思了充氣膜結(jié)構(gòu)的防護(hù)隔離系統(tǒng)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)了專利、開(kāi)發(fā)了樣品。隨著全國(guó)抗擊疫情形勢(shì)日益嚴(yán)峻，華大基因董事長(zhǎng)汪建提出通過(guò)“火眼”實(shí)驗(yàn)室一體化建造方案來(lái)解決城市檢測(cè)能力不足的問(wèn)題；而后，華大基因CEO 尹燁和同濟(jì)大學(xué)蘇運(yùn)升基于新冠病毒檢測(cè)需求和痛點(diǎn)，共同萌生了火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）的想法；隨后，以陳戊榮、李雯琪為研發(fā)核心骨干的團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了夜以繼日的產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用階段[1]。

充氣膜結(jié)構(gòu)核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室是這些年發(fā)展起來(lái)的創(chuàng)新建造技術(shù)，建造速度快，性價(jià)比高，便于日常儲(chǔ)存，并且體積壓縮比高、運(yùn)輸快捷，便于在各個(gè)城市間調(diào)配資源，也便于利用現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)及時(shí)大規(guī)模生產(chǎn)和建造。利用雙層充氣拱結(jié)構(gòu)，其弧度使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，形似1400 多年歷史的中國(guó)趙州橋，內(nèi)部的雙層膜結(jié)構(gòu)跟線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)有異曲同工之妙[2]。

2 氣膜版火眼實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）的空間載體本身可收納、可展開(kāi)，易于運(yùn)輸，能夠快速響應(yīng)疫情爆發(fā)地需求。其內(nèi)部的智能新風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓轉(zhuǎn)換，配以高精尖的醫(yī)療設(shè)備，具有全國(guó)產(chǎn)、高集成、智能化、可收納、易運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)[3]。

2.1 總體特征

2.1.1 高效應(yīng)急，可精準(zhǔn)調(diào)配

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）體積壓縮比高，產(chǎn)品收納狀態(tài)時(shí)也可放置機(jī)艙，通過(guò)空運(yùn)精準(zhǔn)投放至全球各地。結(jié)合氣膜和箱式優(yōu)點(diǎn)，預(yù)制化設(shè)備在內(nèi)部，展開(kāi)后充氣成型即可投入使用，搭建更為高效。且可增加單體數(shù)量來(lái)進(jìn)行機(jī)動(dòng)化擴(kuò)建，以滿足臨時(shí)爆發(fā)的新需求量[4]。

2.1.2 平疫結(jié)合，可再利用

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）平時(shí)均以小體積收納儲(chǔ)存，使用時(shí)可擴(kuò)展出負(fù)壓空間。且臨時(shí)性的氣膜建筑在未來(lái)可通過(guò)機(jī)械臂自動(dòng)噴筑，增加保溫層，嵌入智能芯片模塊，變成智能化固定式的建筑實(shí)驗(yàn)室。

2.2 功能特點(diǎn)

2.2.1 創(chuàng)新充氣膜建筑結(jié)構(gòu)

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）通過(guò)充氣膜結(jié)構(gòu)和預(yù)制化建造系統(tǒng)結(jié)合，確保整個(gè)系統(tǒng)密閉。氣膜被內(nèi)部氣壓頂起，大大簡(jiǎn)化了建筑支承的結(jié)構(gòu)。一個(gè)單體氣膜實(shí)驗(yàn)室利用智能充氣設(shè)備充氣，只需要20min，便可完成充氣，挺立成型。因其膜結(jié)構(gòu)特性，設(shè)置靈活，對(duì)搭建場(chǎng)地基礎(chǔ)要求低，可適應(yīng)不同的基地，室內(nèi)、外均可滿足場(chǎng)地建設(shè)要求，并且可隨時(shí)搬遷。氣膜自重輕，可建筑于原有建筑之上，如在室外則需要考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響的因素[5]。

根據(jù)疫情不確定性的局勢(shì)，如果需要突然增加通量需求，也可快速搭建起多個(gè)新的氣膜實(shí)驗(yàn)室，以便及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)公共衛(wèi)生事件的快速響應(yīng)?；鹧蹖?shí)驗(yàn)室（氣膜版）的功能區(qū)通過(guò)膜結(jié)構(gòu)將其分開(kāi)，并和氣壓差分區(qū)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)人流、物流和垃圾流的有效分離。

2.2.2 新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓轉(zhuǎn)換

新風(fēng)系統(tǒng)可保證內(nèi)部氣流的定向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)正負(fù)壓的轉(zhuǎn)換。通過(guò)利用智能自動(dòng)風(fēng)閥控制新風(fēng)機(jī)的送風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)量，例如當(dāng)送風(fēng)量低于排風(fēng)量時(shí)即可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓環(huán)境。不同的控制方法使實(shí)驗(yàn)室不同功能區(qū)形成不同氣壓差。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，此系統(tǒng)的正負(fù)壓轉(zhuǎn)換值為±30Pa[6]。

2.2.3 無(wú)接觸光交互技術(shù)

光交互技術(shù)可免接觸認(rèn)證人員真實(shí)身份，無(wú)需摘口罩、無(wú)需指紋、無(wú)需密碼，一閃即可打卡認(rèn)證通行。確保在工作人員穿戴防護(hù)服，無(wú)法掏手機(jī)的情況下，不使用人臉掃描也能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)接觸開(kāi)關(guān)門(mén)和設(shè)備控制。基于光交互技術(shù)，定制開(kāi)發(fā)了智能集成設(shè)備。并且通過(guò)一款功能集成的手機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)艙體內(nèi)的所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)查看和管理。

3 產(chǎn)品迭代

2020 年4 月3 日，火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）1.0 版本在國(guó)家基因庫(kù)啟動(dòng)了揭幕儀式，而后在短短一個(gè)月內(nèi)夜以繼日，將氣膜版BSL- 2 級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室又迭代更新了兩版，2020 年5 月1 日萬(wàn)人通量的3.0 版本在哈爾濱建成[7]。

3.1 V1.0 核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）——突破創(chuàng)新，提高效率

1.0 版氣膜以“Y”型染色體為設(shè)計(jì)概念，結(jié)構(gòu)以單層充氣膜加充氣“龍骨”。由于單層氣膜特性，所以無(wú)法形成負(fù)壓空間。功能區(qū)分為“樣本采集區(qū)”、“樣本接收區(qū)”、“樣本制備區(qū)”、“試劑準(zhǔn)備區(qū)”和“擴(kuò)增區(qū)”。該氣膜占地面積大，設(shè)備集成化程度低。功能區(qū)之間沒(méi)有通過(guò)傳遞窗相互連接，導(dǎo)致人流、物流、垃圾流流線混亂錯(cuò)雜，并不能滿足新冠肺炎疫情的檢測(cè)要求。2020 年4 月14 日，通過(guò)兩周的快速迭代和設(shè)計(jì)調(diào)整，在國(guó)家基因庫(kù)室內(nèi)籃球場(chǎng)進(jìn)行了落地應(yīng)用?；鹧蹖?shí)驗(yàn)室（氣膜版）V1.0 版室內(nèi)效果圖和實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V1.0 版室內(nèi)效果圖和實(shí)物圖

3.2 V2.0 核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）——結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能提升

V2.0 版氣膜以“X”型染色體為設(shè)計(jì)概念。優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用雙層閉氣氣膜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，保溫性好。該氣膜能夠?qū)崿F(xiàn)微負(fù)壓。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)是PVC 與TPU 材料混合，而TPU 材料重量大，PVC 外結(jié)構(gòu)很難支撐，只能實(shí)現(xiàn)微負(fù)壓。氣膜集成新風(fēng)機(jī)、傳遞窗與空調(diào)，設(shè)計(jì)上門(mén)框與新風(fēng)機(jī)、傳遞窗、空調(diào)設(shè)備架相連接，但是施工難度頗大，搬運(yùn)困難。通過(guò)機(jī)械風(fēng)閥可調(diào)節(jié)各艙室內(nèi)的艙壓，艙壓通過(guò)機(jī)械壓差表進(jìn)行檢測(cè)。該版氣膜基本滿足新冠肺炎疫情的檢測(cè)要求[7]。圖2 為火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V2.0 外部結(jié)構(gòu)圖。

圖2 火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V2.0 外部結(jié)構(gòu)圖

3.3 V3.0 核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）——選材優(yōu)化，穩(wěn)定性強(qiáng)

V3.0 版氣膜在2.0 版基礎(chǔ)上，優(yōu)化材料選型，使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達(dá)到更優(yōu)。進(jìn)一步優(yōu)化功能流程和布局，升級(jí)生產(chǎn)工藝。功能區(qū)將“樣本接收區(qū)”、“樣本制備區(qū)”和“擴(kuò)增區(qū)”互相通過(guò)傳遞窗傳遞樣本。艙室負(fù)壓可通過(guò)自動(dòng)艙壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在室內(nèi)空間還分化了一更、二更、緩沖間和主空間，讓整個(gè)流向都變得有序、安全。氣膜集成強(qiáng)電電柜、智能門(mén)、新風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，完全滿足新冠肺炎疫情的檢測(cè)要求。目前該版氣膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)與運(yùn)用，國(guó)內(nèi)外多個(gè)地區(qū)已經(jīng)投入使用[8]。圖3 為北京和香港火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V3.0版實(shí)物圖。

圖3 北京和香港火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V3.0 版實(shí)物圖

3.4 V4.0 核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）——簡(jiǎn)化流程，完善細(xì)節(jié)

4.0 版氣膜在3.0 版基礎(chǔ)上，更加注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。在生產(chǎn)上將地板革、燈帶等產(chǎn)品進(jìn)行了預(yù)制化，為艙壓柜、傳遞窗增加滾輪，簡(jiǎn)化了整體的安裝、施工流程[2-4]。在傳遞窗與氣膜的連接方式上，進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，增加安裝效率的同時(shí)，對(duì)于氣閉性、防雨性上都得到了顯著的提升。氣膜側(cè)邊從原先的拱形變成了直墻造型，目的是為了擴(kuò)大艙內(nèi)的操作空間，讓實(shí)驗(yàn)人員有更加舒適的工作環(huán)境，完全滿足新冠肺炎疫情的檢測(cè)要求。目前該版氣膜也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模批量化生產(chǎn)[9]。圖4 為哈爾濱和廣州火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V4.0 實(shí)物圖。

圖4 哈爾濱和廣州火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）V4.0 實(shí)物圖

4 機(jī)械臂噴涂充氣膜實(shí)驗(yàn)”——漸進(jìn)創(chuàng)新，持續(xù)迭代

基于5.0 版氣膜的研究成果，團(tuán)隊(duì)匯聚多方智慧，繼續(xù)探討新材料的可能性[10]。2021 年6 月27 日—7 月3 日，DigitalFUTURES“機(jī)械臂噴涂充氣膜結(jié)構(gòu)房屋”數(shù)字工作營(yíng)在同濟(jì)大學(xué)順利進(jìn)行[11-15]。共有20 位來(lái)自國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)的學(xué)員和12 位建造志愿者共同參與，完成了包括聚氨酯材料和加纖混凝土在內(nèi)的多次實(shí)地噴涂實(shí)驗(yàn)。通過(guò)噴筑復(fù)合材料，可將臨時(shí)氣膜建筑轉(zhuǎn)換為永久性建筑。此次工作營(yíng)實(shí)驗(yàn)的成功，也為將來(lái)探索節(jié)能建筑發(fā)展方向踏出關(guān)鍵一步[16]。圖5 為機(jī)械臂聚氨酯噴筑過(guò)程圖。

圖5 機(jī)械臂聚氨酯噴筑過(guò)程圖

5 標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)流程如下：場(chǎng)地確認(rèn)→到貨驗(yàn)收→防雨膜鋪設(shè)→氣膜定位充氣→地板革鋪設(shè)→空調(diào)及傳遞窗安裝→配電箱安裝、電線電纜鋪設(shè)→動(dòng)力電纜端接→前門(mén)組裝→LED 燈帶安裝→風(fēng)口安裝→洗手池安裝→純水儀安裝→通電調(diào)試→風(fēng)機(jī)安裝→空調(diào)調(diào)試→消防器材安裝→監(jiān)控門(mén)禁安裝→壓差表安裝→艙壓控制集成柜安裝→大型設(shè)備家具就位→后門(mén)組裝→現(xiàn)場(chǎng)清理。

2020 年7 月15 日，由深圳華大基因股份有限公司、上海易托邦規(guī)劃建筑咨詢有限公司、深圳華大基因科技有限公司、深圳華大智造科技有限公司和同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院共同起草了《充氣膜結(jié)構(gòu)病毒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)指南》，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了充氣膜結(jié)構(gòu)病毒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義、場(chǎng)地設(shè)計(jì)、建設(shè)與驗(yàn)收的要求，適用于充氣膜結(jié)構(gòu)病毒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地建設(shè)。該標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)外均屬首次提出，對(duì)新型冠狀病毒疫情的防控具有重要指導(dǎo)意義[2-4]。

6 應(yīng)用推廣

火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）作為中、高通量整體解決方案，非常適合海外或國(guó)內(nèi)普篩使用。目前已在全球11 個(gè)國(guó)家啟動(dòng)了47 座氣膜版火眼實(shí)驗(yàn)室，其中中國(guó)22 座，分布在哈爾濱、北京、深圳、香港、青島、石家莊、廣州等城市；國(guó)際13 座，分布在沙特、加蓬、多哥、哈薩克斯坦、阿曼、埃塞俄比亞、巴布亞新幾內(nèi)亞，合計(jì)建設(shè)的檢測(cè)通量達(dá)100 萬(wàn)單管/ d。各地火眼實(shí)驗(yàn)室接受了當(dāng)?shù)卣偨y(tǒng)、特首、衛(wèi)生部長(zhǎng)、大使等）和行業(yè)專家的檢閱，為當(dāng)?shù)鼐徑饬藱z測(cè)能力不足的燃眉之急，得到了廣大民眾的歡迎和支持，產(chǎn)生了非常積極的社會(huì)影響。作為中國(guó)科技詮釋“人類命運(yùn)共同體”的硬核載體，華大基因火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）以工程化范式在全球各地批量建成，并高效助力于各國(guó)疫情防控工作[13]。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于突發(fā)性重大公共衛(wèi)生事件，火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）能在短時(shí)間內(nèi)搭建完成，迅速提升當(dāng)?shù)馗咄啃鹿诓《竞怂釞z測(cè)能力。而在疫情平穩(wěn)后，火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）還將會(huì)在生育健康、傳染感染疾病、腫瘤等方面的大規(guī)模人群檢測(cè)上繼續(xù)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，成為各地醫(yī)療衛(wèi)生體系改造升級(jí)中的“標(biāo)配”，也是改善民生健康，促進(jìn)生命科學(xué)研究及發(fā)展生命健康產(chǎn)業(yè)重要的“新基建”。目前，火眼實(shí)驗(yàn)室（氣膜版）已成功在非洲實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)型，成為非洲首個(gè)新冠試劑廠房，全球首個(gè)氣膜版IVD 廠房[17]。