科技抗疫的工程化范式——火眼实验室（气膜版）

李雯琪陈戊荣苏运升陈均响温丽娟

1.深圳华大基因股份有限公司 广东深圳 518000；2.同济大学 上海 200082;3.广州开发区医院 广东广州 510730

1 研究背景

“火眼”实验室的原始创意来源于华大基因董事长汪建。华大基因在疫情初期打造的火眼实验室主要用于新冠病毒核酸检测，“火眼”取自中国四大名著之一《西游记》中孙悟空的“火眼金睛”。孙悟空的“火眼”能识别各种“妖魔鬼怪”，而“火眼”实验室可以把病毒精准地检测出来。

随着海外疫情的陆续爆发，传统实验室和病房建设周期长达几个月，建设费用高，不具备可移动性和空运模式，极大地限制了火眼实验室在海外国家的推广。火眼”实验室项目的目标是通过自身创新性研究的实践，帮助全球疫情得到控制。快速研发出在疫情爆发不确定性的应急产品，用最短时间建成大量负压空间，同时可方便储存在全球不同国家的后备基地，疫情爆发后精准调配到各个城市。通过饱和检测，及早发现感染者；通过饱和收治，极力降低病死率。

当认识到这是一场全球同时爆发的疫情，首先考虑的是如何在最短时间内建成大量负压空间，同时可空运到世界各地。从去年2 月中旬开始，同济大学设计创意学院苏运升就构思了充气膜结构的防护隔离系统，并带领团队申请了专利、开发了样品。随着全国抗击疫情形势日益严峻，华大基因董事长汪建提出通过“火眼”实验室一体化建造方案来解决城市检测能力不足的问题；而后，华大基因CEO 尹烨和同济大学苏运升基于新冠病毒检测需求和痛点，共同萌生了火眼实验室（气膜版）的想法；随后，以陈戊荣、李雯琪为研发核心骨干的团队进入了夜以继日的产品研发和应用阶段[1]。

充气膜结构核酸检测实验室是这些年发展起来的创新建造技术，建造速度快，性价比高，便于日常储存，并且体积压缩比高、运输快捷，便于在各个城市间调配资源，也便于利用现有的生产系统及时大规模生产和建造。利用双层充气拱结构，其弧度使得结构稳固，形似1400 多年历史的中国赵州桥，内部的双层膜结构跟线粒体的双层膜结构有异曲同工之妙[2]。

2 气膜版火眼实验室特点

火眼实验室（气膜版）的空间载体本身可收纳、可展开，易于运输，能够快速响应疫情爆发地需求。其内部的智能新风系统可实现正负压转换，配以高精尖的医疗设备，具有全国产、高集成、智能化、可收纳、易运输的优点[3]。

2.1 总体特征

2.1.1 高效应急，可精准调配

火眼实验室（气膜版）体积压缩比高，产品收纳状态时也可放置机舱，通过空运精准投放至全球各地。结合气膜和箱式优点，预制化设备在内部，展开后充气成型即可投入使用，搭建更为高效。且可增加单体数量来进行机动化扩建，以满足临时爆发的新需求量[4]。

2.1.2 平疫结合，可再利用

火眼实验室（气膜版）平时均以小体积收纳储存，使用时可扩展出负压空间。且临时性的气膜建筑在未来可通过机械臂自动喷筑，增加保温层，嵌入智能芯片模块，变成智能化固定式的建筑实验室。

2.2 功能特点

2.2.1 创新充气膜建筑结构

火眼实验室（气膜版）通过充气膜结构和预制化建造系统结合，确保整个系统密闭。气膜被内部气压顶起，大大简化了建筑支承的结构。一个单体气膜实验室利用智能充气设备充气，只需要20min，便可完成充气，挺立成型。因其膜结构特性，设置灵活，对搭建场地基础要求低，可适应不同的基地，室内、外均可满足场地建设要求，并且可随时搬迁。气膜自重轻，可建筑于原有建筑之上，如在室外则需要考虑当地环境影响的因素[5]。

根据疫情不确定性的局势，如果需要突然增加通量需求，也可快速搭建起多个新的气膜实验室，以便及时应对突发公共卫生事件的快速响应。火眼实验室（气膜版）的功能区通过膜结构将其分开，并和气压差分区相结合，从而实现人流、物流和垃圾流的有效分离。

2.2.2 新风系统实现正负压转换

新风系统可保证内部气流的定向流动，实现室内正负压的转换。通过利用智能自动风阀控制新风机的送风和排风风量，例如当送风量低于排风量时即可实现负压环境。不同的控制方法使实验室不同功能区形成不同气压差。经实践验证，此系统的正负压转换值为±30Pa[6]。

2.2.3 无接触光交互技术

光交互技术可免接触认证人员真实身份，无需摘口罩、无需指纹、无需密码，一闪即可打卡认证通行。确保在工作人员穿戴防护服，无法掏手机的情况下，不使用人脸扫描也能够实现无接触开关门和设备控制。基于光交互技术，定制开发了智能集成设备。并且通过一款功能集成的手机软件，实现对各个舱体内的所有智能设备的数据查看和管理。

3 产品迭代

2020 年4 月3 日，火眼实验室（气膜版）1.0 版本在国家基因库启动了揭幕仪式，而后在短短一个月内夜以继日，将气膜版BSL- 2 级生物实验室又迭代更新了两版，2020 年5 月1 日万人通量的3.0 版本在哈尔滨建成[7]。

3.1 V1.0 核酸检测实验室（气膜版）——突破创新，提高效率

1.0 版气膜以“Y”型染色体为设计概念，结构以单层充气膜加充气“龙骨”。由于单层气膜特性，所以无法形成负压空间。功能区分为“样本采集区”、“样本接收区”、“样本制备区”、“试剂准备区”和“扩增区”。该气膜占地面积大，设备集成化程度低。功能区之间没有通过传递窗相互连接，导致人流、物流、垃圾流流线混乱错杂，并不能满足新冠肺炎疫情的检测要求。2020 年4 月14 日，通过两周的快速迭代和设计调整，在国家基因库室内篮球场进行了落地应用。火眼实验室（气膜版）V1.0 版室内效果图和实物图如图1 所示。

图1 火眼实验室（气膜版）V1.0 版室内效果图和实物图

3.2 V2.0 核酸检测实验室（气膜版）——结构优化，性能提升

V2.0 版气膜以“X”型染色体为设计概念。优化结构，采用双层闭气气膜，结构稳定性强，保温性好。该气膜能够实现微负压。由于内部结构是PVC 与TPU 材料混合，而TPU 材料重量大，PVC 外结构很难支撑，只能实现微负压。气膜集成新风机、传递窗与空调，设计上门框与新风机、传递窗、空调设备架相连接，但是施工难度颇大，搬运困难。通过机械风阀可调节各舱室内的舱压，舱压通过机械压差表进行检测。该版气膜基本满足新冠肺炎疫情的检测要求[7]。图2 为火眼实验室（气膜版）V2.0 外部结构图。

图2 火眼实验室（气膜版）V2.0 外部结构图

3.3 V3.0 核酸检测实验室（气膜版）——选材优化，稳定性强

V3.0 版气膜在2.0 版基础上，优化材料选型，使得结构稳定性达到更优。进一步优化功能流程和布局，升级生产工艺。功能区将“样本接收区”、“样本制备区”和“扩增区”互相通过传递窗传递样本。舱室负压可通过自动舱压控制系统实现，在室内空间还分化了一更、二更、缓冲间和主空间，让整个流向都变得有序、安全。气膜集成强电电柜、智能门、新风系统、空调系统等设备实现了标准化和集成化，完全满足新冠肺炎疫情的检测要求。目前该版气膜已经实现大规模批量化生产与运用，国内外多个地区已经投入使用[8]。图3 为北京和香港火眼实验室（气膜版）V3.0版实物图。

图3 北京和香港火眼实验室（气膜版）V3.0 版实物图

3.4 V4.0 核酸检测实验室（气膜版）——简化流程，完善细节

4.0 版气膜在3.0 版基础上，更加注重设计细节。在生产上将地板革、灯带等产品进行了预制化，为舱压柜、传递窗增加滚轮，简化了整体的安装、施工流程[2-4]。在传递窗与气膜的连接方式上，进行了全新设计，增加安装效率的同时，对于气闭性、防雨性上都得到了显著的提升。气膜侧边从原先的拱形变成了直墙造型，目的是为了扩大舱内的操作空间，让实验人员有更加舒适的工作环境，完全满足新冠肺炎疫情的检测要求。目前该版气膜也已经实现了大规模批量化生产[9]。图4 为哈尔滨和广州火眼实验室（气膜版）V4.0 实物图。

图4 哈尔滨和广州火眼实验室（气膜版）V4.0 实物图

4 机械臂喷涂充气膜实验”——渐进创新，持续迭代

基于5.0 版气膜的研究成果，团队汇聚多方智慧，继续探讨新材料的可能性[10]。2021 年6 月27 日—7 月3 日，DigitalFUTURES“机械臂喷涂充气膜结构房屋”数字工作营在同济大学顺利进行[11-15]。共有20 位来自国内外知名大学的学员和12 位建造志愿者共同参与，完成了包括聚氨酯材料和加纤混凝土在内的多次实地喷涂实验。通过喷筑复合材料，可将临时气膜建筑转换为永久性建筑。此次工作营实验的成功，也为将来探索节能建筑发展方向踏出关键一步[16]。图5 为机械臂聚氨酯喷筑过程图。

图5 机械臂聚氨酯喷筑过程图

5 标准化建设

火眼实验室（气膜版）标准建设流程如下：场地确认→到货验收→防雨膜铺设→气膜定位充气→地板革铺设→空调及传递窗安装→配电箱安装、电线电缆铺设→动力电缆端接→前门组装→LED 灯带安装→风口安装→洗手池安装→纯水仪安装→通电调试→风机安装→空调调试→消防器材安装→监控门禁安装→压差表安装→舱压控制集成柜安装→大型设备家具就位→后门组装→现场清理。

2020 年7 月15 日，由深圳华大基因股份有限公司、上海易托邦规划建筑咨询有限公司、深圳华大基因科技有限公司、深圳华大智造科技有限公司和同济大学设计创意学院共同起草了《充气膜结构病毒检测实验室建设指南》，标准中明确规定了充气膜结构病毒检测实验室的相关术语定义、场地设计、建设与验收的要求，适用于充气膜结构病毒检测实验室的场地建设。该标准在国内外均属首次提出，对新型冠状病毒疫情的防控具有重要指导意义[2-4]。

6 应用推广

火眼实验室（气膜版）作为中、高通量整体解决方案，非常适合海外或国内普筛使用。目前已在全球11 个国家启动了47 座气膜版火眼实验室，其中中国22 座，分布在哈尔滨、北京、深圳、香港、青岛、石家庄、广州等城市；国际13 座，分布在沙特、加蓬、多哥、哈萨克斯坦、阿曼、埃塞俄比亚、巴布亚新几内亚，合计建设的检测通量达100 万单管/ d。各地火眼实验室接受了当地政要（总统、特首、卫生部长、大使等）和行业专家的检阅，为当地缓解了检测能力不足的燃眉之急，得到了广大民众的欢迎和支持，产生了非常积极的社会影响。作为中国科技诠释“人类命运共同体”的硬核载体，华大基因火眼实验室（气膜版）以工程化范式在全球各地批量建成，并高效助力于各国疫情防控工作[13]。

7 结语

对于突发性重大公共卫生事件，火眼实验室（气膜版）能在短时间内搭建完成，迅速提升当地高通量新冠病毒核酸检测能力。而在疫情平稳后，火眼实验室（气膜版）还将会在生育健康、传染感染疾病、肿瘤等方面的大规模人群检测上继续发挥优势，成为各地医疗卫生体系改造升级中的“标配”，也是改善民生健康，促进生命科学研究及发展生命健康产业重要的“新基建”。目前，火眼实验室（气膜版）已成功在非洲实现了转型，成为非洲首个新冠试剂厂房，全球首个气膜版IVD 厂房[17]。