一、緣起:
2020年可說是災難的一年，這次COVID-19疫情在今年2-3月迅速於世界爆發，對於很多國家的醫療體系衝擊巨大，特別是因為新冠肺炎重症患者大多會經歷嚴重的呼吸道症狀，急需呼吸器維持生命，而突如其來的大流行，很少有國家能預先庫存足夠的呼吸器，所以大約3月中旬之後，呼吸器的嚴重短缺及造成的各種悲劇就一直出現在新聞上….
身為生技領域的職業，小弟也持續關注COVID-19的疫情發展，然後3月下旬，出現了一則有關於義大利神父犧牲自己讓出呼吸器的新聞，小弟感動之餘，心情也頗為低落...
當晚直到凌晨才睡著，然後隔天清晨五點突然惡夢，回想起當年阿公最後一刻的場景，醫生用甦醒球的畫面，然後似乎甦醒球與呼吸器之間出現了一種連結的靈感。在床邊思考片刻後，決定去書房拿出紙筆，利用自己平時3D列印與3D設計的業餘功力，開始了這一切…
(網路擷取甦醒球使用示意圖)
本篇目錄
- 緣起
- 甦醒球(AMBU)開箱簡介
- 第一代EV02應急呼吸器(採用強力RC舵機)
- 第二代EV03應急呼吸器版本(採用42步進馬達為動力)
- 第三代EV05應急呼吸器版本(採用57步進馬達為動力)
- 開發過程的雷坑經歷
- 3D列印在疫情期間的價值展現
- 後記
考量接下來有心要做出應急呼吸器，先來一顆甦醒球是絕對必要的，但這種醫療裝備，問了台中三家醫材行都沒賣(或是不賣一般消費者?)，後來只好上網訂購，而且台灣價格好貴，惦惦荷包只好訂購對岸來源，但缺點是等待期較長….
訂購甦醒球後，緊接著上網找呼吸器相關知識，發現原來麻省理工學院近期也有應急呼吸器的開發計畫，也是用甦醒球為供氣主體，然後利用馬達機械裝置進行壓球…看到有人先做，其實小弟還滿開心的，因為代表這種構想可能真的可行，然後重點是該網站的留言互動區，可以看到當時世界各地很多留言都急需這類應急呼吸器，所以小弟也更堅定認為應該繼續走下去~
(麻省理工學院緊急呼吸器網站)
甦醒球訂購一周後到貨，收到後開箱，發現整個內容物好超值，除了甦醒球主體外，還有一堆配件，如果會使用的人，帶這一盒去海邊溺水或火災現場，真的有機會和閻羅王搶人，可說是當代偉大的發明~
二、甦醒球(AMBU)開箱簡介
(內容物包括甦醒球主體及精美外盒、氣袋、面罩、氧氣管、口咽通氣道等)
在此介紹一下甦醒球吧…又稱為AMBU，採用軟質塑料做成氣囊主體，然後搭配鴨嘴閥與單向氣閥的組合~
(鴨嘴閥與安全洩壓裝置)
(後部氣閥模組，包括供氧、氣袋口等)
一直反覆壓球時，單向氣閥會將氧氣管或外面空氣拉進氣囊，並且在壓的動作時封住，讓氣流往鴨嘴閥送氣，而鴨嘴閥將氣體送出給病人後，病人的呼氣會從鴨嘴閥周圍的環狀單向閥釋放掉…另外AMBU球有個非常重要的安全機制，就是為了預防過大壓力導致肺部受損，有一安全洩壓閥，規格通常為40-60cmH2O壓力，超過就會釋放，所以使用AMBU球做為土炮型應急呼吸器的供氣來源會安全很多
(網路上的介紹影片，詳細描述作用原理)
搭配甦醒球其實也有各種配件，其中有一種稱為陽壓閥，可以安裝在AMBU球的出口處，該裝置可以讓管路維持陽壓，有助於讓肺泡維持較張開狀態，增加氧氣交換，不過該配件也是很不容易取得，醫療產業好封閉呀…
(PEEP閥，右端旋鈕可控制肺部陽壓壓力)
小弟在網路上搜尋各種呼吸器資料時，突然發現網路上有創客們也正號召組成開源呼吸器團隊，其中主要推動者之一的哈爸老大(也是空氣盒子LASS社群的發起人)，剛好是小弟較認識的，就報名一起加入社群(OSMSTW-MIT呼吸器開發社群)，這件事是繼大葉大學之後的重大幫助，因為群內除了來自各地的創客，最重要還有呼吸治療師、醫師等醫療領域專業人員。說真的，今天要在一個專業領域做出有用的東西，一定要該領域專家也在同一個團隊一起貢獻才有辦法完成，而加入這樣的社群，絕對是應急呼吸器邁向成功的關鍵
這種開源的社群成員，參與者或有不同目的，但共同的價值觀還是以公益為主，原則上參與者並不會從創作中賺錢，相反的必須投入自己精神心力外，還要自掏腰包很多錢
…當然此時若有廠商願意投入，提供AMBU、馬達、控制元件等是最好，但直到最後，只有崇仁公司提供AMBU球公社群運用(非常感謝)，其他多數花費還是要看自己，但也感謝群內有些領域專家也提供物資援助例如單管呼吸管、測試肺等一般買不到的物件，大大提升開發進度
這種開源專案自己要投入心力財力這麼多，那有什麼收穫呢?其實最重要的是參與過程，每個人都拿出擅長之處，大家互相學習，並且最後完成時，回首來時路會發現自己的技術、知識也精進很多，貢獻過程也會有一定的成就感，也交了很多志同道合的朋友，這是小弟認為最有收穫的~
三、第一代EV02應急呼吸器(採用強力RC舵機)
由於加入了開源呼吸器社群，很快就獲得了AMBU球的外型尺寸資料，小弟先用3D列印，印出AMBU球的直徑，然後據此開始設計機械結構…
- 3D列印出球圍比對
- 等AMBU球到後正式架上
確認後連絡廠商，知道中部經銷點後，就趕緊去買回家，一顆2千多元並不便宜，但為了可能救人的目的，就買了吧。回家後從該強力舵機的輸出軸開始進行齒輪設計，由於這次應急呼吸器預計採用全3D列印，所以齒輪的咬齒設計擷取過去經驗，設計較大尺寸希望更堅固些，然後小齒輪推動大齒輪設定2倍減速比，希望進一步放大強力舵機扭矩…
(此圖可看到夾臂齒輪與舵機齒輪的協同運動方式)
經過了長時間列印、修改、再列印，終於完成代號EV01的構型，不過拜3D列印之賜，所謂的長時間，其實就是2天而已…
(此列印壁厚不足，算是先印出來確認兩個齒輪間距是否剛好)
簡單組裝測試後，小弟馬上就發現即使這樣，扭矩也是頗勉強，並且於隔天收到AMBU球，馬上再度著手修改，希望爭取最極限利用舵機扭矩的機械構型...
最後終於完成EV02構型。並且確認整體構造進行模組化，規劃出壓球區、控制區、電源區等獨立結構，方便後續進化改良時，不用全部重新再來
您以為事情結束了嗎?當然不是….緊接著就是撰寫Arduino韌體，雖然自以為對舵機控制較熟悉，但來自團隊內的呼吸治療師建議，最低等級至少應有呼吸頻率、潮氣量、出氣快慢等功能，特別是出氣速度，花了不少時間才能成熟控制出氣快慢，當完成該韌體版本時，簡直比硬體還興奮
….當第一代EV02呼吸器能運作時，其實非常有成就感，一方面準備進行開源，另一方面為了感謝最早時期恩師大葉大學徐泰浩教授及護理系施伊玲老師的協助，所以也讓學校進行新聞採訪，報答母校的幫助……
其實小弟是很低調，甚至公司同仁並不知道小弟下班回家後再忙此事，畢竟這種事情，很多人會認為吃飽太閒，或是有點瘋狂之類…說實在，下班回家及假日期間，除了睡覺吃飯外，把所有時間都貢獻到這應急呼吸器的開發，其實家人也是頗有微詞，不太諒解…
但是當我們有一個執念要去做時，雖然忙碌但其實內心是非常充實的，另一方面有了3D列印這類數位製造裝備，一個裝置從無到有，比起以前要方便非常多了…
(EV02實現過程，也逐漸釐清應急呼吸器的整體開發架構)
(EV03的出氣壓力約35cmH2O)
(後來小弟才知道強力舵機的輸出波型，很接近專業呼吸器的先急後緩輸出)
檔案後來選擇可能較多創客會逛的Thingiverse網站進行開源，小弟也收到來自外國的鼓勵與需求、詢問等，至少包括波蘭、英國、墨西哥、土耳其、美國、希臘、斯洛伐克、法國、印度、越南、加拿大都有人下載，也可見當時呼吸器需求的急迫性
(https://www.thingiverse.com/thing:4302479)
文章到此，您以為快結束了嗎?並沒有，正式挑戰才剛開始…..
四、EV03應急呼吸器版本(採用42步進馬達為動力)
在EV02強力舵機版本公開後，剛好開源群內有伙伴姜大哥因救護車職業關係能夠取得測試肺裝置，非常感謝支援提供給小弟，結果測試跑下去，一開始動作都很OK，但強力舵機越來越熱，約莫20分鐘後一摸，啊好燙，至少有60度，這怎麼可能運作一整天?畢竟有了測試肺的逆壓，舵機負擔會重很多導致過熱，基於一種莫名的責任心態，準備要大改良了….
(測試肺是由兩片夾板夾住矽膠袋，充氣時可模擬人體胸腔壓力)
後來研判，強力舵機內有高速小馬達做為動力，但連續運轉下，馬達一定越來越熱，但受到舵機外殼隔絕，馬達很難被冷卻，所以用強力舵機做為動力，其實不太是理想方案，而且該舵機規格特殊，有需求的國家當地也不一定能買到，於是接下來改版決定採用動作也很精準的步進馬達做為動力…另一個坑的開始…
決定採用步進馬達後，依據開源群內的各種討論，小弟決定選用42*60mm的步進馬達+減速機19:1，雖然也是不便宜，但比起強力舵機還是省錢一些，然後又開始進行一連串的設計與修改過程....
將42步進馬達裝上後，由於小弟對歩進馬達的控制程式寫法較陌生，摸索了滿久仍無法正確工作，後來群內有一位較熟程式的朝斌大哥與其姪女如恬小姐一起合作幫忙韌體的部分，小弟更注重硬體的改進，如此分工合作，終於EV03版本問世了
說明一下，步進馬達的驅動較為複雜，需要先準備一顆驅動器，再把電源、馬達線、控制線等接到驅動器上，由Arduino來指揮步進馬達要走幾步，並隨時監視可調電阻位置及LCD顯示，但這樣一來CPU運算負擔似乎很重，若程式這樣寫，會發現馬達速度整個快不起來，果然是大坑….
(若是換用其他更高速MCU，是否能解決呢?)後來朝斌大哥修改程式設定，等步進馬達走完，再來處理螢幕顯示及感測可調電阻之電位，這樣就能讓Arduino的CPU在需要驅動步進馬達時能專注進行，速度明顯快起來了~
運作影片如下：
最終也完成了EV03版本應急呼吸器，這可說是很棒的里程碑，因為42步進馬達的取得比強力舵機更容易且便宜些，更適合世界上物資選擇較有限的地區
後來檔案放上Thingiverse網站，一樣可供大家自由下載運用改進，CC只有標示姓名的要求，完全公益化~(https://www.thingiverse.com/thing:4475464)
為了確保掌握EV03的性能，其實這段時間還有包括各種測試，首先是利用古老的排水集氣法掌握壓球時的輸出容積~
(後來改用2L寶特瓶搭配磅秤測重量，更為精準)
(有一個點沒有測好，但線性壓球的整體輸出仍會有越來越快的趨勢)
出氣壓力測量方面，整體安裝如下~
(利用3D列印Y型分流件，將部分壓力導向感測元件BMP180)
各運作條件下的壓力測試結果
(可以注意裝了PEEP閥後，基線壓力提高了，形成陽壓特性)
這些測試結果，初步顯示EV03性能已達可運用程度，但耐用度仍需持續測試，在緊急運用下，不一定要耐用幾年，哪怕只是幾日，只要有備機，都比辛苦用手壓來的強...
五、EV05應急呼吸器版本(採用57步進馬達為動力)
但直到小弟EV03完成時，群內這另一構型卻因42步進馬達動力不足而未竟全功，所以王大哥繼續向上力拼57步進馬達，並一次採購兩顆馬達，希望小弟也繼續奮發精進，說實在小弟也很感動這種精益求精的拚勁
，在王大哥提供57步進馬達後，也就繼續努力打拼出EV05版本...
(上方是57步進馬達，下方是42步進馬達，大小漢也差太多了吧
)
(要穩固鎖上57步進馬達並非易事)
由於57步進馬達搭配1:20減速機的力量更大，小弟這次決定採用直驅設計，讓其中一組夾臂直接鎖在法蘭上，再讓A夾臂直接帶動B夾臂，這樣一來可以進一步降低機體高度變得更低扁，重點是讓步進馬達的減速機直接負責減速，取代小齒輪，應該會更堅固耐操(減速機內本來就塗滿黃油，耐用很多)
(右側EV05採用57步進馬達，左側有AMBU的是採用42步進馬達的EV03)
由於57馬達強壯有力，運作起來力量充足，這樣一來就有機會進一步提升”IE比”(吸氣:呼氣時間比率)的彈性，而隨著應急呼吸器的發展越趨成熟，韌體方面也準備讓容量調整從1-99的比例方式精進為每次幾mL的方式~但這次要更專業測量了
感謝北部某大型醫院(小弟尚不確定能否寫出來)的呼吸治療師協助下，借用專業呼吸器之壓力及流量感測系統，準備進行容量校正….果然有專業儀器幫助測量，再加上EXCEL立即進行流量曲線換算，不到半小時內就完成韌體調整工作，各種容量調整的誤差率約5%以下，以呼吸治療師的標準已能接受~
(專業呼吸器的流量與壓力感測元件很昂貴，但性能也是一流)
(此圖最重要是取得R值0.99以上的多項式，再填入韌體中)
但接下來是出氣的流量與壓力波型，呼吸治療師透過專業測量的圖，進一步期待能將韌體調出更適合波型…果然魔鬼藏在細節中，這點相信不少在國外開發這類應急呼吸器的獨立創客，很可能不知道這壓力與流量波型的關鍵，後來花了不少時間調校韌體，終於有更接近滿意的波型
，但這點相信還有很大的韌體強化空間啊…由於創客們沒有國家隊的資源，都只是一群默默奉獻的夥伴，為了保護幫忙的呼吸治療師大哥，很抱歉此段不宜有太多照片分享…
EV05檔案分享網址：(正在整理中，即將上傳雲端)
六、開發過程的雷坑經歷
(便宜的杜邦線就是很大的雷，要像圖中自己買高品質的線加上焊接才最保險)
其實應急呼吸器感覺就只是個壓甦醒球的裝置，照理說應該不困難，至少小弟完成第一代EV02原型機是這樣認為，但後來繼續研發過程中，陸續發現真的不簡單，光是馬達動力的選擇就不容易，或許旁人會覺得怎麼不一次到位?但是在荷包有限，總是希望找出一個平衡點，讓價格、扭矩、精準度、控制難易度、耐用等都能平衡(其實重點就是錢啦，不是說小弟想省錢而已，也希望之後有需要的製造者也能是合理的成本)…但最終若再時光回溯，57步進馬達是比較能一次到位~但馬達挑大的，步進驅動模組也不可兩光，還有較大型電源供應器也會有挑選及踩雷的可能性
再來是齒輪設計過程，小弟也曾經花了不少時間研究，由於123D繪圖軟體無法自動畫齒輪，所以小弟用了不少時間來畫，但如果時光倒回，小弟會想利用更專業的軟體，或是上網抓齒輪檔案來改造….另外3D列印時的輸出條件與是否妥善安裝也是關鍵之一，下圖就是長時間運作後崩齒的狀況….雖然目前最新的EV03及EV05有所改良，但若有業者想推廣自己出品的強固線材，歡迎與小弟聯絡贊助線材試用，這應急呼吸器的齒輪應該是小弟認為最地獄的試煉場之一，一天有可能要連續動作4萬次以上….
(長時間連續運作而言，強固的材料加上正確的安裝非常重要)
最接近韌體的硬體，也就是MCU，雖然一開始是採用Arduino，但小弟認為近年來包括STM32、ESP32，國內凌陽、新唐、聯發科也都有推出適合創客之MCU，運算速度都比arduino快很多，若是要加上壓力或流量回饋控制甚至畫出波型圖，Arduino肯定是不夠力的，唯獨這些後進廠商一定要幫自己的MCU推出在Arduino IDE也能編輯程式的相關函式庫才能更提升被運用的機會
而最可能迷失的雷坑，其實就是自己的毅力
，這並非是說小弟很有毅力，而是一種面對失敗，接下來要放棄，或是比原本花更多時間金錢克服問題的決心，這每一個人對失敗的寬容度都不一樣，所以展現給外人看到的毅力也不同，不過小弟認為既然都撩下去了，也總得要有個基本可用的成果，雖然只是開源公益，沒機會帶來獲利，但中間遇到的各種困難克服後，都有可能是幫助小弟未來開發其他裝置的成功必經之路….七、3D列印在疫情期間的價值展現
這次COVID-19疫情來的又猛又急，從三月開始，國際上防疫物資奇缺，首先就是醫療人員口罩與防護面具不夠，此時不待廠商費日耗時的製造，馬上就有創客透過3D設計與3D列印，立即提供當地醫療人員使用
(網路截圖)
另外又如長時間戴口罩讓耳朵不舒服，創客立即設計列印減壓帶，大幅舒緩長時間配戴的不適感
(網路截圖)
疫情期間，為了讓一片口罩可多次使用，香港有創客發明可利用工業防塵面具搭配自製零件，讓一片口罩剪成很多片來幫忙過濾空氣，放大口罩價值
(來源:黃小潔頻道)
在國外專業呼吸器特殊閥件不足時，也有3D列印閥件與分流管件的提供，爭取重症病人的活命機會
(網路新聞截圖)
在國內，國防醫學院陳大哥，以及國內3D列印廠商，在國內疫情最危險時刻，也無償提供國內多家醫療院所防護面具零件之需求~
(陳大哥受訪，談3D列印在醫療的運用)
小弟這次的設計，除馬達與MCU及五金件之外，盡量都是以全3D列印的角度來設計各零件檔案，也是考量到現在3D列印機越來越便宜，較有機會普及，且簡化製造過程，在世界各角落，當地只要有3D列印機，下載小弟的檔案後就能製造應急呼吸器，所以以上照片所看到的應急呼吸器實體都不是最重要的，相反的那些開源的檔案才是重點喔
(小弟家的列印三兄弟)
總之這次疫情期間，有不少創客的故事，搭配數位製造技術，供應了最急迫的醫療需求，或許這些裝置來不及有任何醫療認證，但是對於生命嚴重威脅的疫情地區，有醫療認證的往往都已買不到….在最現實嚴苛的疫情環境，3D列印富有緊急應變彈性，或許是應付未知多變最重要的準備之一
八、後記
其實這種搭配甦醒球的應急呼吸器，最早要感謝MIT麻省理工學院在10年前開發的雛型，而這雛型經歷近期一系列演化，在美國已有被徵召工廠生產這類呼吸器，但是美國有這樣的實力之外，例如阿富汗目前就是嚴重不足，專業呼吸器不僅太貴，且目前國際市場根本搶不贏已開發國家，很難買到…所以也有阿富汗女子創客團隊與MIT合作進行衍生研發，對當地重症患者可能帶來希望
(網路新聞截圖)
在台灣，首先要感謝我們政府與陳時中部長的辛苦努力，全力擋下COVID-19疫情，讓老百姓盡量維持正常的工商業營運…且台灣真的是很幸福，因健保關係，台灣也擁有相對較充足的呼吸器資源，但疫情當前，政府也與工研院組成呼吸器國家隊，以專業呼吸器廠商”美敦力”所開源提供的PB560呼吸機相關檔案，進行仿製，已經成功，可作為防疫戰備….當時小弟所處的創客社群也有拿到該檔案資料，但有考慮到種種原因，原零件取得不易且成本高
，即使要仿製也非易事，故仍以搭配甦醒球的應急設計為主…
(美敦力PB560專業呼吸器)
台灣的呼吸器國家隊非常厲害，PB560在原廠開源下，已完成原型機開發，等於後疫情時代有了很重要關鍵的準備
(有興趣請按此)
由於小弟所在的創客社群也常關注國外的疫情，目前的狀況真的很糟糕，在開發中國家的染疫非常嚴重，醫療資源也非常不足，雖然台灣能防堵好COVID-19，但世界疫情當前，在疫苗還沒大量接種前，呼籲大家也要盡量戴好口罩，萬一有零星案例至少避免擴散，常保平安。雖然開發了應急呼吸器，但希望永遠都不要有因這次疫情被用到的機會才好，或許有一天，這類應急呼吸器進一步用來搭配甦醒球的急救自動壓球、或是學校教具之類，會是更好的出處
(PS:特別強調，本次開源專案創作並未取得任何醫療認證，目前也無任何資源推動認證，正常情況不允許被用於病患，僅可研究交流參考)
能有如今的開源專案成果，終於對得起今天3月底小弟的初衷，但更重要的是要感謝很多人的幫助才能真的實現這EV系列的應急呼吸器成果~
特此感謝-大葉大學-徐泰浩教授、施伊玲老師於EV系列萌芽時提供資源與護理師操作甦醒球及呼吸治療病房之護理知識
特此感謝-陳貼西大哥援助呼吸管，姜尚佑大哥援助測試肺、王庚春大哥提供57步進馬達
特此感謝-施朝斌大哥、柯如恬小姐在EV系列的韌體撰寫支援
特此感謝-朱修儁大哥、陳貼西大哥等等專業呼吸治療師提供呼吸治療專業知識及參數建議
特此感謝-陳加恩大哥、哈爸老大、Scott大哥、紹淵大哥、建宏大哥以及所有參與OSMS-TAIWAN MIT呼吸器群組的夥伴與專業醫療人員及各路英雄好漢創客們，共同參與、腦力激盪!!
(平時網路上腦力激盪，照片是第一次集合聚會)
