NX wird für die Entwicklung von Drohnen verwendet, die lebensrettende Medikamente zuverlässig in abgelegene Regionen in Ruanda liefern

Lieferung medizinischer Güter an jeden Ort und zu jeder Zeit

Mehr als zwei Milliarden Menschen auf der Welt haben, bedingt durch unwegsames Gelände oder infrastrukturelle Lücken, keinen Zugriff auf lebensrettende medizinische Güter wie Blutpräparate und Impfstoffe. Auf Ruanda, einem Binnenland in Ostafrika mit sehr bergiger Landschaft, trifft dieses Kriterium von „unwegsamem Gelände“ eindeutig zu. Aufgrund dieser Tatsache rief Zipline International Inc. (Zipline) 2016 das weltweit erste Drohnenliefersystem für medizinische Güter ins Leben. Dieses System funktioniert in Ruanda auf nationaler Ebene und liefert an sieben Tagen die Woche unter allen Wetterbedingungen Medikamente dorthin, wo sie dringend benötigt werden.

Die Anfänge

Zipline ist ein Start-up, das in Half Moon Bay, einem kleinen Küstenort an der Pazifikküste, Kalifornien, USA, ansässig ist. Das Unternehmen hat sich schnell zu einem Akteur entwickelt, der die Branche der medizinischen Hilfsgüterlieferung grundlegend verändert. Zipline hat für seine Arbeit in Ruanda Anerkennung erhalten, aber entstanden ist die Idee für das Unternehmen, als Keenan Wyrobek, Mitbegründer und Leiter für Produkt und Engineering bei Zipline, ein Forschungsinstitut an der Ostküste Afrikas besucht hat.

Er erfuhr bei seinem Besuch des Ifakara Health Institutes in Tansania von einem ortsansässigen Wissenschaftler, der Ärzte des Landes davon überzeugte, ihm jedes Mal, wenn ihnen Medikamente zur Behandlung eines Patienten fehlten, eine Textnachricht zu senden. Dieser Wissenschaftler erstellte eine umfangreiche Sammlung mit Tausenden von Einträgen, die genau geordnet waren: nach den Symptomen der jeweiligen Patienten, der erforderlichen Behandlung und dem Ergebnis. Er erfuhr, dass die Ärzte in Tansania bei weitem nicht ausreichend mit medizinischen Gütern versorgt sind und dass der Mangel an adäquaten Blutpräparaten zum Tod von Patienten geführt hat. Selbst scheinbar so gängige Medikamente wie topische Antibiotika für Patienten mit Schnittwunden waren dort nicht verfügbar.

Besonders betroffen machte Keenan Wyrobek der Fall eines tansanischen Jugendlichen, bei dem sich eine kleine Schnittwunde am Arm nach ein paar Tagen entzündet hatte, da er das benötigte Antibiotikum nicht rechtzeitig erhalten konnte. Statt direkt behandelt zu werden, sodass die Wunde leicht hätte heilen können, verschlimmerte sich die Entzündung so sehr, dass ein Teil des Arms des Jungen amputiert werden musste.

So entstand die Idee von fliegenden Drohnen, die medizinische Güter in zuvor unzugängliche Länder transportieren.

„Diese Erfahrungen haben unsere Entscheidung klar beeinflusst“, erklärt Wyrobek. „Wir sahen uns die Probleme, die sie zu überwinden versuchten, genau an, wie das Problem der Logistik beim Befahren schlecht befestigter Straßen und die Regenzeiten. Wir erkannten, dass es einfach keinen Sinn machte, die Probleme auf diese Weise lösen zu wollen. Für uns war es einfach offensichtlich. Wir konnten im wahrsten Sinne des Wortes über diese Straßen fliegen und die Produkte an ihren Bestimmungsort liefern und so in großem Maße auf die Gesundheitsversorgung einwirken.“

Eine lebensrettende Aufgabe

Mit dem Einsatz von Drohnen verbessert Zipline den Zugang zu lebenswichtigen medizinischen Gütern, indem unpassierbare Berge und ausgewaschene Straßen überflogen werden und die abgelegenen Kliniken direkt beliefert werden. Das Unternehmen zentralisiert die Versorgung und bietet On-demand-Lieferungen und kann so den Abfall und Ressourcenknappheit erheblich reduzieren. Zipline ist für die Blutkonservenbereitstellung des westlichen Teils Ruandas verantwortlich und hat bereits mehr als 7.000 Lieferungen von medizinischen Gütern durchgeführt und dabei über 13.000 Blutkonserven an mit Blutkonserven unterversorgte Krankenhäuser ausgeliefert.

„Unsere Betreiber, die das Vertriebszentrum in Ruanda leiten, dürfen sich keine Gedanken über die Drohnentechnologie oder Wetterbedingungen machen müssen“, erklärt Wyrobek. „Sie müssen sich vollständig darauf konzentrieren, wer welche Medikamente benötigt und sie umgehend zustellen. Sie sollen sich nur auf diese Aufgabe konzentrieren können.“

„Unsere Aufgabe im Konstruktionsteam ist es, diese Leute zu unterstützen. Wir müssen ein Flugzeug erstellen, das unter allen Wetterbedingungen und mit den erforderlichen Margen agieren kann. Damit dieses Flugzeug, unabhängig von allen Geschehnissen, sein Ziel erreicht und seine Lieferung ausführt.

„Um die benötigten medizinischen Güter zu erhalten, schicken Gesundheitsarbeiter von entlegenen Kliniken und Krankenhäusern ihre Bestellungen an Zipline. Die Medizinprodukte werden zentral im Zipline Distribution Center gelagert, sodass selbst die empfindlichsten und in geringer Stückzahl vorhandenen Güter umgehend zugänglich sind. Diese Güter werden unter Beibehaltung der temperaturkontrollierten Lieferkette und Produktintegrität im Vertriebszentrum verpackt und für den Flug vorbereitet. Die Gesundheitsarbeiter erhalten innerhalb von Minuten nach dem Versand der Textnachricht die Bestätigung, dass die Bestellung versendet worden ist. Mit über 100 Stundenkilometern und einem Service-Radius von 80 Kilometern kommen die Medizinprodukte schneller ans Ziel als mit jedem anderen Verkehrsmittel – und das ganz ohne Piloten an Bord. Nach weniger als 30 Minuten landen die bestellten Medikamente an einem Fallschirm sanft im festgelegten Gebiet, das der Größe mehrerer Parkplätze entspricht. Die Mitarbeiter des Krankenhauses werden bei der Ankunft per Textmitteilung benachrichtigt.

Zipline entscheidet sich für NX

In den Anfangsjahren setzte Zipline ein relativ preisgünstiges System für Computer-Aided-Design (CAD) ein. Doch schnell wurden die Einschränkungen spürbar, als es um die Umsetzung in der Praxis ging. Ingenieure fanden die Anwendung schwierig, weil keine großen Speichermengen verarbeitet werden konnten und teure Computer erforderlich waren. Zipline benötigte eine Lösung mit zusätzlichen Funktionalitäten, um bestimmte Aufgaben zu automatisieren und die Interaktion mit der CAD-Datenbank zu ermöglichen. Außerdem sollte die neue Lösung spezielle Add-ons umfassen.

Zipline erkannte, dass die Software NX™ von Siemens Digital Industries Software die ideale Lösung für Ihre Anforderungen bei der Drohnenkonstruktion bereitstellte. NX ermöglichte es den Ingenieuren von Zipline, das gesamte Flugzeug in das CAD-Modell zu laden, um die Passform einzelner Teile im Zusammenhang mit dem Gesamtmodell zu überprüfen. Arbeitet ein Ingenieur beispielsweise an einem Flügel und muss wissen, ob er genau zum Flugzeugkörper passt (ohne dass Interferenzen entstehen), kann er sich keine Gedanken darüber machen, wie lange es dauert, die Flugzeugbaugruppe zu laden. Das zuvor von Zipline verwendete CAD-Tool entmutigte die Ingenieure angesichts der Zeit, die für das Abschließen des Vorgangs erforderlich war. NX beseitigte diese Bedenken und ermöglichte es den Ingenieuren bei Zipline gleichzeitig in Echtzeit am selben Teil zu arbeiten und nach der Fertigstellung das Zusammenspiel und die Funktionsweise zu betrachten.

„NX ermöglichte es uns, für unser gesamtes Fahrzeug ein Gehäuse zu erstellen und dann von innen nach außen und von außen nach innen zu arbeiten, um es schnellstmöglich zu entwickeln“, erklärt Paul Perry, Maschinenbauingenieur bei Zipline. Außerdem haben wir unser Team von drei auf neun Ingenieure vergrößert. Das ist wichtig, da wir mehrere Personen brauchen, die gleichzeitig am Fahrzeug arbeiten. Mit NX konnten wir mit Wave-Verbindungen ein sehr robustes Mastermodell ausführen, sodass wir uns auf übergeordnete Mastermodelle stützen und die erforderlichen Änderungen in mehreren Untersystemen anwenden können.

„Außerdem kann Zipline mit NX ermitteln, an welchen Stellen des Flugzeugs hochwertiges Material aus der Luftfahrt eingesetzt werden muss und an welchen Stellen mit Plastik oder Schaumstoff die gleiche strukturelle Integrität und die gleiche mechanische Funktion erzielt werden kann – zu deutlich niedrigeren Kosten und bei geringerem Gewicht.

Angesichts des hohen Gewichts der auszuliefernden Medizinprodukte sind Gewichtsprüfungen von großer Bedeutung. Die Möglichkeit, das Gewicht mit einer schnellen Stärke- oder Belastungsanalyse zu reduzieren, ermöglicht es Zipline, die anvisierten Ziele mit weniger Iterationen und Prüfstunden zu erreichen.

„Bei der Optimierung der Drohne stehen konstruktive und thermische Aspekte im Vordergrund“, erklärt Perry. „Da das Gewicht die wichtigste Variable für uns ist, beschäftigen wir uns vor allem mit konstruktiven Verbesserungen. So können wir das Gewicht ohne Einbußen bei der Steifigkeit und Festigkeit reduzieren.“

Sam Chaknova, Fertigungsingenieur bei Zipline, erstellt die Komponenten für die Drohnen und entwickelt die Fertigungszellen und einige der Vorrichtungen, die die Montage vereinfachen. Er ist für die Konstruktion der Lebenszyklustester verantwortlich, die Zipline einsetzt, um an einigen neuen Fahrzeugkomponenten beschleunigte Lebenszyklustests durchzuführen.

„Ich habe NX verwendet, um die CAD-Daten der Konstrukteure zu nutzen und die Lebenszyklustester sowie die erforderlichen Teile und Fertigungshalterungen zu erstellen, die wir für die Montage der Drohnen einsetzen“, erklärt Sam Chaknova. „Ich nutze NX auch, um mit den CAD-Daten der Konstrukteure 3D-Drucke zu erstellen, die wiederum den Technikern die Montage vereinfachen.“

NX ist auch für die Arbeit mit den Leiterplatten, die Zipline für seine Drohnen einsetzt, ein wertvolles Tool. Anstatt eines Kabelbaums benötigen Drohnen, wie die von Zipline, komplexe Leiterplatten, die nicht nur die Kabelbäume ersetzen, sondern auch alle erforderlichen Avionik-Funktionen durchführen können müssen.

Mit der Konvergenz von Elektrotechnik und Maschinenbau beim Entwerfen und Entwickeln von Drohnen müssen kleine Nuancen wie die Flugzeugbalance und die Gewichtsverteilung (vom vorderen bis zum hinteren Teil) perfekt ausgewogen sein. NX führt diese Disziplinen zusammen und ermöglicht es den Ingenieuren, nahtlos in einem iterativen Konstruktionsprozess zu navigieren und ohne Zeitverzögerung zu erfahren, wenn eine Änderung an einem Teil der Drohne vorgenommen wurde.

Digitalisierung ist die Schlüsselkomponente für Zipline beim Konstruktionsprozess der Drohnen. Paul Perry berichtet, dass NX mit seiner einzigartigen Funktion für automatische Aktualisierungen den Ingenieuren von Zipline ermöglicht, schnell Iterationen durchzuführen und jede Konstruktionsänderung automatisch zu aktualisieren und in der Folge neue Funktionen hinzuzufügen.

Eine bessere Zukunft durch die Bereitstellung medizinischer Güter

Wyrobek erklärt, dass Zipline die Vorteile der Flugzeugindustrie mit hoch zuverlässiger Robotik kombiniert, um zuverlässige und fehlertolerante Systeme zu erstellen. Sie übertragen das Niveau der Fehlertoleranz, das Flugzeuge als Bausatz aufweisen, auf Drohnen, sodass 20 bis 30 Drohnen gleichzeitig über einen einzelnen Betreiber fliegen können. Größtenteils geht es bei den Tests von Zipline um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Drohnen, um sicherzustellen, dass die Drohnen ihre Aufgabe unter allen Wetterbedingungen ausführen können.

Der Schwerpunkt der Drohnenentwicklung liegt bei Zipline seit Anfang an auf der Fertigungstauglichkeit, da dieses Produkt für die Skalierung verwendet wird. Jede Drohne ist „intelligent“, um bestimmte Fehler selber erkennen zu können. Stößt sie auf ein Problem, kehrt die Drohne von alleine um und fliegt zum Vertriebszentrum zurück. Um die Bestellung dennoch ausliefern zu können, kann Zipline so umgehend eine neue Drohne versenden. Die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Drohnen war für das Unternehmen von Anfang an zentral, und Zipline hat einen Großteil der Entwicklung und der Tests auf diese Punkte ausgerichtet.

„Um die Vertriebszentren mit der Anzahl der erforderlichen Fahrzeuge zu beliefern, müssen wir die Montage vereinfachen“, erklärt Chaknova. „Sie müssen zudem sehr leicht wartbar sein. So können wir die Wartung vor Ort durchführen und sorgen dafür, dass die Drohnen einsatzbereit bleiben und Leben retten können.“

Die Prototypen werden von den Ingenieuren von Zipline in Kalifornien entwickelt und hergestellt. Wenn die Drohnen zu hundert Prozent zuverlässig und einsatzbereit sind, werden sie zum Vertriebszentrum in Ruanda geschickt. Von dort fliegen die Drohnen in die vorgesehenen Gebiete, in denen Blutpräparate benötigt werden. Die in Kalifornien ansässigen Ingenieure von Zipline waren in Ruanda vor Ort und haben den Ablauf in der Praxis erlebt, sodass Ihnen die Bedeutung ihrer Arbeit und die Veränderung, die sie auslöst, bewusst ist.

„Es ist eine einzigartige Erfahrung dort vor Ort das Abheben einer Drohne zu erleben“, beschreibt Jeremy Schwartz, Robotiker bei Zipline. „Hier in Kalifornien führen wir ein Experiment durch, einen Test. Wenn in Ruanda eine Drohne abhebt, liefert sie Blutpräparate, die dringend benötigt werden. Sie sind lebensrettend. Sich das bewusst zu machen, ist eine einmalige Erfahrung.

Sowohl hinsichtlich der Effizienz – die Möglichkeit, den Kreislauf schnell zu schließen – als auch unter moralischen Gesichtspunkten ist es eine fantastische Erfahrung, an diesem Projekt zu arbeiten und die direkten Auswirkungen aus erster Hand miterleben zu können.“

Zipline hat täglich Hunderte intelligenter, autonomer Drohnen versendet und seitdem der Drohnenservice in Betrieb ist, Tausende Aufträge in Ruanda ausgeführt. Da sich das Unternehmen weiter vergrößert und expandiert, besteht das Ziel darin, immer mehr Menschen mit den benötigten medizinischen Präparaten zu versorgen, unabhängig davon, wo sie auf der Welt leben.

„Wir wollen uns auf unsere eigenen Erfahrungen stützen. An dem Punkt, an dem wir heute stehen und meiner Meinung nach schon viel erreicht haben, wollen wir an den Punkt kommen, an dem wir uns in Zukunft sehen. Wir wollen skalieren und etwas wirklich Großes erreichen“, erläutert Wyrobek.