NX viene utilizzato per progettare droni che consegnano forniture mediche essenziali nelle aree più remote del Rwanda

Consegnare forniture mediche, sempre e ovunque

Più di due miliardi di persone non hanno accesso a prodotti medici essenziali, come sangue e vaccini, a causa del terreno accidentato e della carenza di infrastrutture. Il Rwanda, un paese nell'entroterra dell'Africa Orientale con un territorio prevalentemente montuoso, merita la definizione di "terreno accidentato" probabilmente meglio di qualsiasi altro posto nel mondo. Proprio per questo, nel 2016 Zipline International Inc. (Zipline) ha lanciato il primo servizio al mondo per la consegna di forniture mediche tramite drone, che opera a livello nazionale in Rwanda per inviare medicinali urgenti alle persone che ne hanno bisogno, sette giorni la settimana e in qualsiasi condizione atmosferica.

L’inizio

Zipline è una start-up con sede ad Half Moon Bay, in California, una piccola città costiera sull'Oceano Pacifico. L'azienda si è rapidamente evoluta in un business capace di rivoluzionare il settore delle consegne di forniture mediche. Zipline si è fatta conoscere per il suo lavoro al servizio del Rwanda, ma l'azienda è nata in seguito a una visita di Keenan Wyrobek, co-fondatore e responsabile di progettazione e prodotti per Zipline, presso un istituto di ricerca sulle coste dell'Africa Orientale.

Durante la sua visita all'Ifakara Health Institute in Tanzania, Wyrobek ha sentito parlare di un ricercatore locale che aveva convinto i medici delle zone rurali della Tanzania a inviargli un SMS ogni volta che avevano bisogno di qualcosa per curare un paziente. Il ricercatore gestiva un enorme database, con migliaia di voci ordinate in base ai sintomi del paziente, ai medicinali necessari per il trattamento e al risultato finale. Ha così scoperto che per i medici della Tanzania, l'accesso alle forniture mediche non è nemmeno paragonabile a quello che avrebbero negli Stati Uniti, inoltre la mancanza di scorte adeguate di sangue spesso determina la morte dei pazienti. Ha scoperto che è difficile reperire tempestivamente anche farmaci apparentemente banali, come gli antibiotici per uso topico per il trattamento delle ferite da taglio.

Wyrobek è rimasto particolarmente colpito dalla storia di un adolescente della Tanzania che si era procurato un piccolo taglio e pochi giorni dopo aveva sviluppato un'infezione perché non aveva ricevuto in tempo l'antibiotico necessario. Se fosse stato curato immediatamente, il taglio sarebbe guarito senza problemi, ma l'infezione si è aggravata al punto da determinare l'amputazione di parte del braccio del giovane.

È nata così l'idea di inviare droni carichi di forniture mediche in paesi un tempo inaccessibili.

“Questa esperienza è stata un vero e proprio catalizzatore per noi", spiega Wyrobek. "Abbiamo osservato i problemi che le persone stavano cercando di risolvere, i problemi di gestione logistica sulle strade dissestate e nella stagione delle piogge che si perpetuavano da decenni, e non era certo una soluzione pratica. Per noi è stato subito ovvio. Potevamo letteralmente volare sopra quelle strade e portare i prodotti a destinazione, producendo un impatto determinante sull'assistenza sanitaria."

Missioni che salvano vite

Grazie ai droni, Zipline migliora l'accesso alle forniture mediche essenziali, volando sopra montagne invalicabili e strade distrutte, per consegnarle agli ospedali più sperduti. L'azienda centralizza le forniture ed effettua consegne on-demand, riducendo drasticamente gli sprechi e il rischio di esaurimento delle scorte. Zipline è responsabile delle forniture di sangue nella metà occidentale del Rwanda e ha effettuato più di 7.000 consegne, fornendo più di 13.000 unità di sangue agli ospedali che ne avevano bisogno.

"Gli operatori che gestiscono il centro di distribuzione in Rwanda non possono preoccuparsi della tecnologia dei droni e delle condizioni meteo", spiega Wyrobek. "Devono concentrarsi sulle forniture mediche necessarie ai diversi ospedali e consegnarle puntualmente. Non devono pensare ad altro."

"Noi del team di progettazione pensiamo a fornire tutto il supporto di cui hanno bisogno. Abbiamo realizzato un velivolo, uno Zip, che può farlo in qualsiasi condizione meteo, garantendo un margine sufficiente. Qualunque cosa accada, il velivolo raggiunge il luogo designato ed effettua la consegna.

"Per richiedere i prodotti medici di cui hanno bisogno, gli operatori sanitari delle cliniche e degli ospedali remoti inviano gli ordini a Zipline tramite SMS. Tali prodotti vengono stoccati centralmente presso il centro di distribuzione Zipline, per garantire l'accesso immediato anche ai prodotti più delicati o difficili da reperire. Gli articoli sono imballati presso il centro di distribuzione e preparati per il volo, garantendo il controllo della temperatura e l'integrità dei prodotti. Gli operatori ricevono una conferma dell'esecuzione dell'ordine pochi minuti dopo l'invio dell'SMS. Viaggiando a velocità di oltre 100 km all'ora (più di 62 miglia l'ora) con un raggio di servizio di 80 km (circa 50 miglia), i prodotti vengono recapitati più rapidamente che con qualsiasi altra modalità di trasporto, senza necessità di alcun pilota. In meno di 30 minuti, i prodotti sono paracadutati delicatamente in un'area designata, dalle dimensioni di qualche posto auto. Il personale ospedaliero riceve un SMS che lo informa dell'arrivo delle merci.

Zipline sceglie NX

All’inizio, Zipline utilizzava un pacchetto di progettazione CAD (Computer-Aided Design) molto semplice e poco costoso, ma ben presto ne ha notato i limiti nelle applicazioni pratiche. Gli ingegneri erano in difficoltà perché non gestiva una quantità di memoria sufficiente, costringendoli a usare computer più costosi. Zipline necessitava di una soluzione con funzionalità aggiuntive, in grado di automatizzare determinate attività, permettere agli ingegneri di interagire con il database CAD e offrire anche moduli aggiuntivi.

Zipline ha scoperto che il software NX™ di Siemens Digital Industries Software rispondeva perfettamente alle proprie esigenze di progettazione dei droni. Con NX, gli ingegneri di Zipline potevano caricare l'intero velivolo nel modello CAD e verificare la corrispondenza delle singole parti con il resto dell'aereo. Se, ad esempio, un ingegnere lavora a un’ala, ma deve assicurarsi che combaci perfettamente con la fusoliera dell'aereo senza creare problemi di interferenza, non deve preoccuparsi del tempo necessario per caricare l'assieme dell'aereo. Con il pacchetto CAD precedentemente utilizzato da Zipline, gli ingegneri erano scoraggiati dal tempo necessario per completare il processo. NX ha eliminato questi problemi e ora gli ingegneri di Zipline possono lavorare alle stesse parti in tempo reale e verificare come combaciano e funzionano insieme una volta terminate.

"NX ci ha permesso di creare la struttura per l'intero veicolo e quindi lavorare dall'interno verso l'esterno, oltre che all'esterno, in modo da svilupparlo rapidamente", spiega Paul Perry, Mechanical Engineer di Zipline. “Abbiamo anche ampliato il team, da tre a nove ingegneri. Questo aspetto è importante, perché era necessario che più persone lavorassero al veicolo contemporaneamente. NX ci ha consentito di gestire un affidabile schema master, utilizzando collegamenti WAVE per creare master ad alto livello ed estendere le modifiche a più sottosistemi.

NX consente, inoltre, a Zipline di identificare le aree cruciali in cui sono necessari materiali aerospaziali di grado superiore e quelle in cui è possibile utilizzare plastica o schiuma, per ottenere gli stessi livelli di integrità strutturale e funzionalità meccanica con un costo e una massa inferiori.

Vista la quantità di forniture mediche trasportata dai droni di Zipline, la verifica del peso è fondamentale. La possibilità di effettuare rapidamente l'analisi dello spessore o la stress analysis, allo scopo di ridurre il peso, consente a Zipline di raggiungere i propri obiettivi senza eseguire un numero di iterazioni eccessivo e riducendo la durata dei test.

"La maggior parte delle ottimizzazioni eseguite su questi velivoli riguarda le caratteristiche termiche e strutturali", spiega Perry. “Ovviamente, la massa è la variabile singola più importante da considerare per l'ottimizzazione, pertanto, durante l'ottimizzazione strutturale, abbiamo la possibilità di ridurre la massa senza compromettere gli obiettivi di rigidezza e resistenza.”

Sam Chaknova, Manufacturing Engineer presso Zipline, realizza i componenti da inserire nei droni e progetta sia le celle di produzione, sia alcuni dei dispositivi di fissaggio per semplificare l'assemblaggio. È responsabile dei tester del ciclo di fabbricazione, utilizzati da Zipline, per accelerare i test dal vivo su alcuni dei nuovi componenti del veicolo.

"Ho utilizzato NX per creare i tester di ciclo e le parti circostanti, basandomi sui progetti CAD degli ingegneri, allo scopo di creare questi dispositivi di fissaggio e anche quelli effettivi di produzione, che vengono utilizzati per l'assemblaggio dei droni", spiega Chaknova. “Uso NX anche per stampare in 3D alcuni elementi che semplificano notevolmente l'assemblaggio da parte dei tecnici, sempre utilizzando i progetti CAD.”

NX è un ottimo strumento anche per lavorare alle schede di circuiti, utilizzate da Zipline per i suoi droni. Al posto dei cablaggi, i velivoli piccoli a pilotaggio remoto (UAV, Unmanned Aerial Vehicle), come quelli utilizzati da Zipline, richiedono complicate schede di circuiti che, oltre a sostituire il cablaggio, svolgono anche tutte le funzioni avioniche necessarie.

Data la convergenza di progettazione elettrica e meccanica nella progettazione e costruzione di droni, anche piccoli dettagli, come il bilanciamento dell'aereo e la distribuzione del peso dalla parte anteriore a quella posteriore, devono essere perfetti. NX unisce queste discipline, consentendo agli ingegneri di Zipline di gestire in modo ottimale un processo di progettazione iterativo ed essere immediatamente informati quando qualcuno apporta una modifica a qualsiasi parte del drone.

La digitalizzazione è un elemento chiave nel processo di progettazione dei droni di Zipline. Secondo Perry, grazie all'esclusiva funzionalità di aggiornamento automatico di NX, gli ingegneri di Zipline possono iterare velocemente e aggiornare automaticamente tutte le modifiche di progettazione, aggiungendo le nuove feature corrispondenti.

Un futuro migliore per le forniture mediche

Wyrobek afferma che Zipline sta combinando il meglio dell'industria aeronautica con l'affidabilità elevata della progettazione robotica, al fine di realizzare sistemi affidabili con tolleranza ai guasti (fault-tolerant). L'azienda sta realizzando UAV con un livello di tolleranza ai guasti tipico dei kitplane, permettendo al singolo operatore di gestire da 20 a 30 aerei contemporaneamente in volo. I test di Zipline si concentrano soprattutto sulla sicurezza e sull'affidabilità degli UAV, allo scopo di garantire che il drone riesca a completare la missione, indipendentemente dalle condizioni meteo.

I droni di Zipline sono progettati completamente in funzione della producibilità, perché l'azienda li utilizza per garantire la scalabilità. Tutti i droni sono dotati di funzioni di intelligence che consentono di rilevare determinati tipi di guasti. Se rileva un problema, il drone inverte la rotta e torna al centro di distribuzione. In questo modo, Zipline può inviare immediatamente un altro drone per consegnare l'ordine. Fin dalla sua fondazione, Zipline attribuisce la massima priorità all'affidabilità e alla sicurezza dei droni, su cui si concentrano la maggior parte delle attività di progettazione e test eseguite dall'azienda.

"Per fornire ai centri di distribuzione il numero di veicoli di cui hanno bisogno, dobbiamo realizzarli in modo che siano facili da assemblare", spiega Chaknova. "Anche la manutenzione deve essere semplificata al massimo. Dobbiamo essere in grado di eseguire la manutenzione sul campo, in modo che i veicoli continuino a funzionare e a salvare vite umane".

Gli ingegneri di Zipline progettano e costruiscono i prototipi in California. Quando gli UAV sono considerati pronti all'uso, con un'affidabilità del 100%, vengono inviati al centro di distribuzione Zipline in Rwanda. Da qui, i droni volano verso le aree designate. Gli ingegneri di Zipline, che lavorano in California ma sono stati in Rwanda e hanno assistito allo svolgimento delle operazioni, conoscono bene l'importanza del loro lavoro e la differenza che stanno facendo.

"Andare sul posto e vedere dal vivo un aereo che decolla è un'esperienza incredibile", racconta Jeremy Schwartz, Roboticist di Zipline. "Qui in California facciamo esperimenti, test. Ma quando un aereo decolla in Rwanda, porta sangue a una persona che ne ha bisogno. Salva la vita di qualcuno, ed è emozionante anche solo pensarci.

“È fantastico lavorare a questo progetto e avere la possibilità di verificarne immediatamente i risultati, sia dal punto di vista dell'efficienza, ovvero la possibilità di chiudere il ciclo in tempi così brevi, sia dal punto di vista morale.”

Dall'introduzione del servizio di consegna tramite droni, Zipline lancia centinaia di piccoli droni autonomi al giorno, che completano migliaia di missioni di volo in Rwanda. Man mano che l'azienda cresce e si espande, consente a un numero sempre maggiore di persone di ricevere le forniture mediche di cui hanno bisogno, ovunque si trovino nel mondo.

"Vogliamo avere la possibilità di ripetere le nostre stesse esperienze per andare da dove siamo oggi, e penso che siamo già a buon punto, a dove vogliamo arrivare, per avere la possibilità di fare qualcosa di grande", dichiara Wyrobek.