COVID-19の流行中、世界各地の病院や医療従事者は、医療用品やPPEの不足に直面しました。
エンジニアたちは、資源の乏しい地域社会向けの解決策を開発し始めました。
衣服の再利用や安価な衛生対策の開発は、登場した「倹約型デザイン」のイノベーションの一例です。
2020年4月にCOVID-19がアフリカに広がると、ムサンデニ・チウメ・カユニ博士は物資危機のただ中にいました。マラウイのリロングウェにあるカムズ中央病院の小児科部長として、博士のチームはN95マスクと一般的な外科用マスクの深刻な不足に直面しました。看護師や医師はストライキを起こしていました。
「病院職員の中には、安全に業務を行えるとは思えないとして、仕事を放棄した人たちがいました」と、彼女はインタビューで語りました。
創意工夫が発揮されました。マラウイのチームは、適切なガウンの価格がその3倍で手が届かなかったため、地元の市場でレインコートを購入し、個人用防護具として使いました。使い捨てガウンと異なり、レインウェアは漂白剤で簡単に消毒して再利用できました。
世界各地で、基本的なPPE、診断検査、重症COVID-19患者の治療機器をめぐる世界的なサプライチェーンが負荷に耐えきれなくなる中、医療従事者は工夫を凝らし、エンジニアたちはほぼ一夜にして解決策の開発に着手しました。工学系の学生は大学内のメイカースペースを活用し、フェイスシールド、自動手洗いステーション、診断検査機器、呼吸補助機器などの新技術を発明・製造しました。これらにより医療従事者は、安全かつ効果的に医療を提供できるようになりました。
資源の乏しい地域社会向けに効果的で手頃な価格の医療機器を開発するため、米国とマラウイで活動するエンジニアとして、私たちは「倹約型デザイン」と呼ばれる、こうした創意工夫を日常的に実践し、教えています。
光を広げる
医療従事者は、本来は一度限りの使用を想定した手持ちのN95マスクを数週間から数カ月にわたって再使用しました。そのため、ヒーター、ガス滅菌器、紫外線などを用いた、マスクを消毒する新たな方法が必要でした。
UVC（短波長紫外線）は、ウイルスを殺す、または不活化します。COVID-19の原因ウイルスであるSARS-CoV-2もその対象です。パンデミック中、科学者たちは病院の空き部屋にUVCシステムを設置し、マスクを消毒しました。
ネブラスカ大学医療センターは部屋にUVC照射タワーを設置し、壁を反射箔で覆ってUVC照射量を最大化しました。汚れたマスクは、UVC室に張り渡した物干しロープに列をなして留められます。室外の担当者が照明を点灯し、室内の検知器が、マスクにウイルスを死滅させる量の光が当たったことを確認しました。マスクは損傷させることなく消毒し、複数回再使用できます。
ヒューストン、マラウイ、タンザニアのエンジニアは協力して、室内設置型UVC消毒システムの価格を800米ドル未満に抑えました。現在、複数のシステムがマラウイとタンザニアの病院に設置されています。ほかの地域のエンジニアは、消毒ステーションを製作し、細胞培養に通常使われるフード内のUVライトを改造したり、水槽用殺菌器のUVライトを転用したりしました。
PPEをめぐる地域発のイノベーション
世界各地で、工学系の学生は、3Dプリンターやレーザーカッターを備えた大学の新しいメイカースペースを活用し、新たなPPE設計を急いで開発して地域で大規模生産しました。マラウイの2つの工科系学校、マラウイ工科大学とマラウイ科学技術大学、そしてタンザニアのダルエスサラーム工科大学の学生と職員は、オープンソースの設計を改良してフェイスシールドを製造しました。提携病院の臨床医に相談し、地元で入手できる材料だけを使いながら、快適性と安全性を高めました。
ユニセフや国連開発計画などの開発機関は、地元で製造され地域の病院に届けられたフェイスシールドを8,000個超発注しました。
診断設計を見直す
パンデミック初期、診断検査機関はCOVID-19検査の実施に必要な主要物資を入手できませんでした。2020年初頭、大病院や公衆衛生システムは、検査需要の増加に対応するために必要な綿棒、検体チューブ、試薬、機器の調達に苦慮しました。
最初に利用可能になったCOVID-19検査は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）に基づくものでした。これは検体中のウイルスRNA量を検出可能なレベルまで増やす方法です。この検査には、ウイルスRNAを分離してDNAに変換し、増幅プロセスを開始するための専用試薬と機器が必要です。
PCR検査の複雑さと試薬不足を受け、米国国立衛生研究所はRADxプログラムに15億ドルを投資し、革新者たちに新しく手頃な価格の診断検査の開発を促しました。多くの革新的な検査が米国食品医薬品局から緊急使用許可を取得し、現在は世界各地で使われています。
たとえば、ハーバード大学の研究者は、単一温度での簡単な反応によってウイルスRNAを増幅し、PCRで必要な工程や試薬の多くを省いて検査時間を短縮しました。スタンフォード大学の研究者は、おもちゃの懐中電灯の内部機構を応用し、電気を使わない簡易遠心分離機を製作しました。電気やその他の検査施設がない地域で、この新しいCOVID-19検査を実施するのに役立ちます。
人工呼吸器の供給を補う
昨年のパンデミック初期数カ月に起きた人工呼吸器の世界的な不足を受け、エンジニアたちは一時的な呼吸補助を提供する簡易装置を設計しました。2つのシステムのオープンソース設計はオンラインで公開されています。一つは、MIT緊急人工呼吸器プロジェクトが設計し、もう一つはライス大学の学生と職員が設計したものです。
資源の乏しい国々では世界的な酸素不足により、多くの医療提供者が機械換気に頼らざるを得なくなっています。人工呼吸器も不足しており、その一因として、米国の人工呼吸器寄贈プログラムの問題があります。
マラウイ科学技術大学の学生と教員は、MITやライス大学の人工呼吸器に似たシステムを開発しました。マラウイで入手できる材料で組み立てられます。マラウイ工科大学の学生は地元の医師と協力して、より多くの機能を備えた人工呼吸器を開発しました。
衛生面のイノベーション
公衆衛生当局は、COVID-19の感染拡大を抑えるうえで、社会的距離の確保やマスク着用とともに、手洗いが果たす役割を強調しています。しかし、資源の乏しい環境では、多くの学校や一部の病院に水道やシンクがなく、学生や患者が定期的に手を洗えない状況です。
これを受け、マラウイ工科大学の工学系学生ブレナルド・ゾンジは、非接触式の手洗いステーションを設計しました。利用者がステーションの前に立つと、あらかじめ充填した容器から少量の石けんと水が自動で出ます。地元の材料で作られ、現在は地元の病院に設置されています。補充が必要になるまでに、最大2,000人の患者が安全に手を洗えます。
ゾンジは、手洗いステーションの継続的な開発資金としてユニセフ・ユース・チャレンジ賞を受賞しました。
優美で持続可能なデザイン
たとえば、高温でほこりの多い環境に耐えられないなど、機器が環境に適していないと、廃棄されて機器の墓場に行き着き、誰の役にも立たなくなります。一方、適切に実現された倹約型デザインは、資源の乏しい環境における持続可能性と適合性をもたらします。
この種の優れたデザインの一例が、FoldScopeです。資源の乏しい環境で医療診断や科学教育の向上に使われる、低価格の紙製顕微鏡です。ほかの例には、新生児黄疸の治療に使われるLED式光線療法ライトや、資源の乏しい医療施設で小さく体調の悪い新生児に呼吸補助を提供する低価格のCPAP装置があります。
倹約型デザインを促進するため、世界各地の大学は工学教育の方法を変え、倹約型デザインに重点を置き、ゾンジのような学生が現実の問題を解決するための解決策を発明できるよう取り組んでいます。パンデミックを機に倹約型デザインの必要性が世界的に高まりましたが、資源の豊かな地域と乏しい地域の医療格差を縮め、医療サービスが十分に行き届いていない地域社会に届けるうえで、倹約型デザインは平時にも重要です。
