미네소타 주립대학과 DigiKey가 COVID-19용 인공 호흡기를 신속하게 설계한 방법

미네소타 주립대학과 DigiKey는 협업을 통해 신종 코로나바이러스 환자를 돕기 위해 낮은 비용으로 빠르게 제작할 수 있는 기본형 인공 호흡기를 신속하게 설계하고 공급합니다. 이러한 노력은 세계 곳곳의 의료 기관의 최전선에서 싸우고 있는 이들이 환자에게 필요한 물품을 제공할 수 있다는 희망을 주기 위해 Dyson, Medtronic, Ford, GE, GM 등의 기업에서 현재 진행 중인 여러 조치의 일환입니다.

미네소타 주립대학 인공 호흡기(그림 1)가 탄생하여 신속히 구현된 과정은 위기 속에서 발현된 독창성, 학문 간 융합, 사내 협업이 빛을 발한 사례입니다. 수많은 사례 중 하나일 뿐이지만 시작과 개발 과정은 다음과 같습니다.

그림 1: DigiKey와의 협력을 통해 개발된 미네소타 주립대학의 인공 호흡기 설계는 3월 15일에 시작되었습니다. (이미지 출처: Aaron Tucker, 미네소타 주립대학)

미네소타 주립대학 마취학 선임 연구원인 Steve Richardson 박사는 생체공학자 친구들과 여러 민간 기업으로부터 장비와 리소스를 공급받아 3월 15일경 저가형 응급용 인공 호흡기를 제작하기 시작했습니다.

Richardson 박사는 생체공학자 친구 중 한 명과 프로젝트에 대해 논의하고 대학교의 수술실에서 아이디어를 실험해 보며 1950년대 교재를 바탕으로 빠르고 단순한 인공 호흡기를 만들 수 있는 설계 유형을 연구했습니다. 불과 몇 시간 만에 Richardson 박사는 단순하지만 용도에 맞게 원활히 작동되는 시제품을 완성했습니다.

박사는 여러 회사에 연락하여 COVID-19 치료를 지원하기 위한 간단한 인공 호흡기를 작업하고 있는 마취의라고 소개하며 CEO와의 대화를 요청했습니다. 그는 장비 제작과 공학 전문 지식에 있어 여러 민간 기업의 도움을 받았습니다.

FDA의 승인을 받는다면 바로 생산을 확대할 수 있습니다. 3주 만에 수천 대의 인공 호흡기를 생산할 수 있을 것으로 보입니다. 비용은 병원에서 사용하는 표준 인공 호흡기에 비해 현저히 낮습니다.

“저렴한” 인공 호흡기를 절대 사용하지 않겠다는 사람들도 있습니다. 개인적으로, 저라면 인공 호흡기가 없는 것보다는 간단하고 기본적인 인공 호흡기 사용을 원할 것입니다.

결과적으로 볼 때, Richardson의 설계는 대부분의 구급차에서 사용하는 인공 호흡기와 유사합니다(그림 2). 다른 점은 누군가가 직접 호흡 봉투를 눌러 환자의 호흡을 도와야 하는 대신 펌핑 작업이 전자적으로 제어되며 기계적으로 실행된다는 점입니다.

그림 2: 새로운 인공 호흡기는 구급차에서 흔히 사용되는 수동 호흡기와 유사하지만 펌핑 작업이 기계적으로 이루어집니다. (이미지 출처: Ambu USA)

본 게시글을 위해 조사하는 과정에서 Earl E. Bakken Medical Devices Center의 연구소 관리자이자 기술개발 담당자인 Aaron Tucker와 대화를 나눌 수 있었습니다. Aaron은 Richardson 박사의 프로그램에서 일하고 있는 기계공학 박사과정 학생입니다. (그림 3).

그림 3: 연구소 관리자/기술개발 담당 Aaron Tucker와 인공 호흡기 시제품(이미지 출처: Aaron Tucker, 미네소타 주립대학)

Aaron Tucker는 프로그램, DigiKey의 참여 방식, 프로그램 진행 상황에 대한 간단한 Q&A에 흔쾌히 응했습니다.

Steve Taranovich: 필요한 부품 확보에 DigiKey를 선택하게 된 이유는 무엇인가요? DigiKey에서만 공급받을 예정이신가요?

Aaron Tucker: 지난 몇 주간 DigiKey, Teknic, Protolabs, Electronic Systems Inc., MGC Diagnostics, UMN Medical School 등 여러 회사와 긴밀히 협력하고 있습니다.

DigiKey의 경우에는 적시에 공급할 수 있는 역량이 갖추어져 있다는 사실을 이미 알고 있었고 초반부터 Randall Restle과 좋은 관계를 유지하고 있습니다. 지난 몇 주간 탁월한 실적을 보여주었으며 DigiKey가 없었다면 최초 25개의 시제품을 제작할 수 없었을 것입니다.

Steve Taranovich: 누가 생산을 담당하게 되며 어디에서 생산될 예정입니까?

Aaron Tucker: 미네소타 시설에서 제조하고 생산하기 위해 미네소타 현지의 여러 의료 기기 회사와 협업하고 있습니다.

Steve Taranovich: 비용은 어떠하며, 누가 지불하게 되나요?

Aaron Tucker: 제조 가능 설계 검토가 완료될 때까지는 정확한 비용은 파악할 수 없습니다.

Steve Taranovich: 생산 계획 수량은 어떻게 되나요?

Aaron Tucker: 아직 인공 호흡기에 대한 수요가 파악되지 않았지만, 미국에서만 수십만 개가 필요한 것이라는 전망이 있습니다. 상황이 계속해서 변화하고 있기 때문에, 저희의 목표는 수천 개를 빠르게 제공한 다음 국내 수요를 재검토하는 것입니다.

Steve Taranovich: 다른 대학 등 다른 기관에서 제작할 수 있도록 설계를 제공할 계획이 있으신가요?

Aaron Tucker: 미네소타 주립대학을 통해 오픈소스 라이선스를 구축할 계획입니다. 더 저렴한 장비로도 제조할 수 있는 설계를 제공하고자 합니다. 가용 자본 설비가 비교적 적은 국가에서도 제조할 수 있는 설계를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

Steve Taranovich: 1개를 생산하는 데 얼마나 걸릴까요?

Aaron Tucker: 다음 주 내에 파악할 수 있게 될 예정입니다.

Steve Taranovich: 완제품 검사는 누가 담당하며, 테스트는 어떻게 진행되나요?

Aaron Tucker: 제조업체에서 테스트와 검사를 진행하게 됩니다.

인공 호흡기 설계의 지속적인 개선

그림 4: DigiKey 세일즈 매니저인 Kari Jesme에 따르면, DigiKey의 세일즈, 엔지니어링, 부가가치 품목, 유통, 응용 분야 지원팀은 미네소타 주립대학 및 미국 전역의 인공 호흡기 수요를 지원하는 수많은 기관과 협력하고 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

DigiKey의 관점에서 이러한 협업은 본거지인 시프리버폴스의 현지 지원을 통해 직접적으로 지원함과 동시에 미네소타 주립대학 팀을 비롯하여 인공 호흡기 개발을 위해 힘쓰고 있는 다른 많은 기관에 필요한 전자 부품, 하드웨어, 기술 지원을 제공함으로써 간접적으로 최전선을 지키는 의료 종사자를 지원하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다.

미 중부 및 멕시코 담당 세일즈 매니저인 Kari Jesme는 “DigiKey는 기존의 고객, 제조업체, 내부 팀과 함께 가능한 한 많은 사람을 지원할 수 있도록 노력하고 있습니다(그림 4).”라고 말했습니다.

또한 “DigiKey 세일즈 팀은 미국 전역의 인공 호흡기 수요를 지원하는 수많은 고객과 협력하고 있습니다. 원래 이러한 장치를 제조하는 업체들도 있고 미네소타 주립대학처럼 자체 시설을 활용하여 지원하는 기관들도 있습니다.”라고 밝혔습니다.

이는 전 세계의 급변하는 상황을 반영하는 회사 전체에 걸친 대규모 프로젝트입니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• DigiKey의 부가가치 품목 부서는 한 번에 1만 건 이상의 주문을 지원하는 케이블 조립품을 만들고 있습니다.
• 제조업체 팀은 제조업체와의 협력을 통해 추가적인 수요를 지원할 수 있는 부품 수량을 유지하고 이러한 장치에 많이 사용되는 부품을 추가적으로 확보하기 위해 매일 논의하고 있습니다.
• 엔지니어링 팀은 여러 채널과 기회를 통해 필요한 경우 대체 부품을 찾고 가능한 경우 추가적인 공급원을 제공하며 완성된 설계를 지원합니다.
• 또한 기존 설계와 새로운 설계를 결합하여 고객을 지원하고 설계부터 생산까지의 과정을 최대 수일까지 가속하고 있습니다.

Jesme는 “지난 주말, 인공 호흡기 시제품을 오늘까지 완성하기 위해 부품이 필요한 고객이 있었습니다. PDC(Product Distribution Center)와의 협력을 통해 어제 부품을 확보하였으며, 고객이 와서 해당 부품을 가져가 오늘 샘플을 완성할 수 있었습니다. 그 고객은 DigiKey의 AE(Application Engineer)와 긴밀히 협력하여 부품을 선정했습니다.”라고 언급했습니다.

이들 제품에는 케이블과 함께 전원 공급 장치, 인코더, 커넥터가 포함되어 있습니다.

또한, “DigiKey의 부품 보유 현황, 부가가치 품목 서비스, 제조업체 측, 고객 측 모두와 맺고 있는 비즈니스 관계가 DigiKey의 독보적인 제품 유통 팀과 필요한 부품을 필요한 시간에 배송하는 물류 파트너들과 어우러져 세계적인 위기를 헤쳐나가는 데 작은 도움이나마 보탤 수 있다는 것에 감사하고 있습니다.”라고 말했습니다.

인공 호흡기를 대량으로 제공하는 대표적인 기업으로는 진공청소기로 유명한 Dyson이 있습니다. 창립자인 James Dyson은 Boris Johnson 영국 총리로부터 직접 지원을 요청하는 전화를 받았습니다. Dyson과 그의 팀은 10일만에 CoVent 설계를 완료했습니다. 현재 전 세계에 대규모로 인공 호흡기를 제공하고 있는 다른 대표적인 회사로는 Medtronic, Ford, GE, GM 등이 있습니다.

결론

국제적인 위기에 지원을 제공하기 위해 참여하는 박사, 엔지니어, 기술 담당자, 제조업체, 유통업체는 창의성과 설계 협업에 자부심을 가지고 있습니다. 바이러스는 비즈니스 계획이나 국경에 상관없이 퍼져 일상생활에 파고들었으며 너무 많은 이들이 위험에 처해 있습니다. 하지만 우리는 인류애를 최대한 발휘하는 모습을 보여주고 있으며 이에 감사하고 있습니다.