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[PT-EN] Ventiladores Pulmonares na UFRJ e a Nautilus - Traçando um Paralelo

Updated: 2 days ago

O atual cenário de crise ocasionado pelo novo Coronavírus levantou uma grande preocupação visto que a doença pode gerar complicações no trato respiratórios, sendo então um grande risco principalmente para pessoas com doenças respiratórias prévias. Dessa forma, cientistas e engenheiros de todo o mundo apostaram na ideia de produzir ventiladores mecânicos de forma rápida, simples e econômica, de modo que possa atender a crescente demanda pelo equipamento durante a crise da Covid-19. A ventilação mecânica, também chamada de ventilação pulmonar, é o uso de uma máquina para auxiliar a entrada e saída de ar nos pulmões, fornecendo ar rico em oxigênio e sendo de uso frequente em pacientes com insuficiência respiratória.



Protótipo em teste do ventilador mecânico

Sendo uma equipe focada em automação submarina, a UFRJ Nautilus parece estar fora do contexto da atual crise global. No entanto, se olharmos com mais atenção, veremos que várias ferramentas essenciais à equipe são igualmente importantes para projetos como o do ventilador pulmonar e muitos outros instrumentos da medicina, utilizados em laboratórios e hospitais. Softwares CAD, de impressão 3D, eletrônica e programação, habilidades necessárias para a realização desses projetos, são alguns dos muitos domínios desenvolvidos dentro da equipe. Acompanhamos um pouco mais de perto o projeto dos ventiladores desenvolvido pela UFRJ e foi de extrema satisfação poder comprovar a importância e a utilidade das técnicas e do conhecimento que geramos e aprendemos tanto dentro da sala de aula quanto dentro da equipe.


Um dos mais conhecidos softwares CAD 3D é o SolidWorks, o programa mais utilizado para o desenvolvimento Hidrodinâmico e Mecânico do nosso AUV. Um de nossos ex-membros está envolvido no projeto de ventiladores da UFRJ e, com o uso do SolidWorks, modelou uma válvula de PEEP (sigla em inglês para Pressão Positiva Expiratória Final). A modelagem tridimensional é uma habilidade comum e fundamental para desenvolvimento de projetos mecânicos em geral, sejam eles de veículos submarinos ou de ventiladores mecânicos.



Modelagem da válvula PEEP

Resultado da modelagem da válvula PEEP






Assim como as válvulas, tubos e afins usados nos ventiladores, o projeto mecânico de um AUV também precisa levar em conta sua pressão positiva (pressão que empurra a impermeabilização contra a estrutura) e sua pressão negativa (pressão que atua no sentido de forçar a desafixação da estrutura), de forma a se manter estanque. Não podemos deixar que a água entre em seus componentes internos ou ar sair deles, assim, precisamos usar válvulas e vedantes, como O-rings, no nosso projeto.


Outro ponto de convergência é em relação ao uso de softwares de simulação CFD (sigla em inglês para Dinâmica dos Fluidos Computacional), empregado principalmente em análises e soluções de problemas nos campos da termodinâmica e da mecânica dos fluidos. Na iniciativa da UFRJ, foi utilizado o OpenFOAM, enquanto que, na nossa equipe, o ANSYS é utilizado para essa mesma função, precisando melhor o efeito de fluidos nos mais diversos materiais e estruturas, seja esse fluido o ar, como é o caso de um ventilador pulmonar, ou a água, no caso de um AUV.


Porém, qualquer bom projeto de engenharia não vive apenas de simulações e outros artifícios computacionais. Conceitos de fabricação mecânica se fazem necessários, como é o caso da impressão 3D, que permite a criação de um modelo tridimensional a partir de sucessivas camadas de material. Essa tecnologia revolucionária possui grandes vantagens, como baixo custo, facilidade de encontrar os materiais e tempo de produção reduzido. Sendo assim, a impressão 3D é muito utilizada, tanto no projeto do submarino autônomo da UFRJ Nautilus, quanto na produção de ventiladores mecânicos da demanda atual.



AUV da UFRJ Nautilus

Portanto, vemos que esses projetos, ainda que diferentes, fazem uso de ferramentas em comum e possuem muitas semelhanças, tanto a nível técnico, quanto a nível de gestão. Trabalhar na UFRJ Nautilus é se adaptar a qualquer cenário possível, afinal, aprendemos aqui práticas e habilidades que, técnicas ou não, nos servirão não só para projetos acadêmicos ou no mercado de trabalho como também para a vida. O conhecimento aqui gerado e aprendido pode ser útil em um cenário como a crise da Covid-19 porque focamos em produção de tecnologia usando ferramentas de uso geral e de baixo custo, buscando unir diferentes campos de conhecimento. Afinal, em uma crise como a que estamos vivendo, os profissionais de necessidades básicas, da área da saúde e da área da ciência, devem se unir para que, através de seu trabalho, suas ideias ou seus inventos, seja possível amenizar e por um ponto final nesse processo tão desgastante e trágico que estamos passando.




Escrito por Gabriela Torres e Ana Beatriz Ferreira


Lung ventilators at UFRJ and Nautilus


How the knowledge generated and learned at UFRJ Nautilus can be useful in the Covid-19 crisis: Drawing a parallel with the UFRJ ventilator design


The current crisis scenario caused by the new Coronavirus has raised a great concern since the disease can generate complications in the respiratory tract, being therefore a great risk mainly for people with previous respiratory diseases. In this way, scientists and engineers from around the world bet on the idea of producing mechanical fans quickly, simply and economically, so that it can meet the growing demand for the equipment during the Covid-19 crisis. Mechanical ventilation, also called pulmonary ventilation, is the use of a machine to assist the entry and exit of air in the lungs, providing oxygen-rich air and being of frequent use in patients with respiratory failure.



Mechanical fan test prototype


As a team focused on subsea automation, UFRJ Nautilus seems to be out of the context of the current global crisis. However, if we look carefully, we will see that several essential tools for the team are equally important for projects such as the pulmonary ventilator and many other medical instruments, used in laboratories and hospitals. CAD software, 3D printing, electronics and programming, skills necessary to carry out these projects, are some of the many domains developed within the team. We followed the fan project developed by UFRJ a little more closely and it was extremely satisfying to be able to prove the importance and usefulness of the techniques and knowledge that we generate and learn both within the classroom and within the team.


One of the best known 3D CAD software is SolidWorks, the most used program for the Hydrodynamic and Mechanical development of our AUV. One of our ex-members is involved in the UFRJ fan project and, using SolidWorks, modeled a PEEP valve (Final Expiratory Positive Pressure). Three-dimensional modeling is a common and fundamental skill for the development of mechanical projects in general, whether they are underwater vehicles or mechanical fans.





Modeling of the PEEP valve Result of PEEP valve modeling


Just like the valves, tubes and the like used in ventilators, the mechanical design of an AUV also needs to take into account its positive pressure (pressure that pushes the waterproofing against the structure) and its negative pressure (pressure that acts to force the detachment of the structure), in order to remain watertight. We cannot allow water to enter its internal components or air to escape from it, so we need to use valves and seals, such as O-rings, in our project.


Another point of convergence is regarding the use of CFD simulation software (acronym in English for Computational Fluid Dynamics), used mainly in analysis and problem solving in the fields of thermodynamics and fluid mechanics. In the UFRJ initiative, OpenFOAM was used, whereas, in our team, ANSYS is used for this same function, needing the best effect of fluids in the most diverse materials and structures, whether that fluid is air, as is the case of a lung ventilator, or water, in the case of an AUV.


However, any good engineering project does not live only from simulations and other computational devices. Mechanical manufacturing concepts are necessary, as is the case with 3D printing, which allows the creation of a three-dimensional model from successive layers of material. This revolutionary technology has great advantages, such as low cost, easy to find materials and reduced production time. Thus, 3D printing is widely used, both in the design of the UFRJ Nautilus autonomous underwater vehicle, and in the production of mechanical fans of the current demand.




AUV from UFRJ Nautilus


Therefore, we see that these projects, although different, make use of tools in common and have many similarities, both at a technical level and at a management level. Working at UFRJ Nautilus is to adapt to any possible scenario, after all, we learn here practices and skills that, technical or not, will serve us not only for academic projects or in the job market, but also for life. The knowledge generated and learned here can be useful in a scenario such as the Covid-19 crisis because we focus on technology production using tools of general use and low cost, seeking to unite different fields of knowledge. After all, in a crisis like the one we are experiencing, professionals with basic needs, in the health and science fields, must unite so that, through their work, their ideas or their inventions, it is possible to alleviate and put an end to this exhausting and tragic process that we are going through.


Written by Gabriela Torres e Ana Beatriz Ferreira