建築物很快就會擁有對抗空氣傳播疾病的“免疫系統”

環境工程師林賽·馬爾 (Linsey Marr) 站在一對透明塑膠盒旁邊，裡面裝滿了管子、噴嘴和電子設備，這是一個看起來很奇怪的原型，有一天可以保護日托兒童免受空氣傳播病原體的侵害。

右邊的盒子裡有一個噴嘴，充滿了淡淡的銀色霧氣。幫浦將部分空氣吸入左側的盒子中，採樣器捕獲漂浮的顆粒和液滴。很快，盒子上的數字顯示器變成紅色：“檢測到！塵蟎過敏原Der f 1。”

Der f 1 是塵蟎分泌的蛋白質，吸入後會引發氣喘發作。 Marr 博士的設備每立方米檢測到 843 皮克的 Der f 1。一粒鹽的重量約為一粒鹽的一千萬倍。

「在使用這個儀器之前，我們需要兩天時間才能確定空氣中的含量，」馬爾博士說。 “現在我們幾乎是實時進行的。”

塵蟎過敏原並不是馬爾博士團隊旨在從空氣中捕獲的唯一威脅。該技術仍在不斷發展，已經可以檢測流感、冠狀病毒和大腸桿菌。

「我們可以檢測到 10 種不同的東西，在專案結束時，將有 25 種不同的東西，」他說。

馬爾博士在華盛頓一座辦公大樓的五樓大聲喊道，那裡有 200 多人在裡面轉來轉去，第一次看到了快速發展的科學前沿：旨在保證托兒所、學校、醫院以及人們聚集的任何地方的室內空氣安全的技術。

這場成人科學博覽會由健康高級研究計劃局（簡稱 ARPA-H）組織，該機構斥資 1.5 億美元創建所謂的「每棟建築的免疫系統」。

活動開始，節目負責人傑西卡·格林發表了簡短的歡迎致詞。 「我們有權利呼吸健康的室內空氣，」他說。

失去的教訓

格林博士呼應了威廉威爾斯 (William Wells) 和米爾德里德威爾斯 (Mildred Wells) 的說法，這對夫妻在 20 世紀 30 年代發現了空氣中細菌的威脅。 1940 年，他們在教室安裝紫外線燈對空氣進行消毒，保護了費城學童免受麻疹疫情的侵害，這一點出了名。

「我認為，為兒童（和成人）提供呼吸的純淨空氣應該與供應純淨水和純牛奶同等重要，」米爾德里德·威爾斯後來寫道。

但她和她的丈夫未能說服他們的同事，空氣中細菌的威脅幾代人都被低估了。 2020年新冠病毒到來時，世界衛生組織強調它不是透過空氣傳播的，結果證明這是錯誤的。

在維吉尼亞理工大學任教的馬爾博士在讓公共衛生當局認識到 SARS-CoV-2 冠狀病毒實際上是透過空氣傳播的過程中發揮了主導作用。她和其他研究人員對識別此類病原體的困難感到沮喪。

「我們會花一天的時間在過濾器上收集樣本，然後將它們帶到實驗室，第二天我們需要幾個小時才能計算其中有多少，」馬爾博士說。 “當你得到這個數字時，採取任何行動都為時已晚。”

作為大流行期間的權宜之計，馬爾博士和其他專家建議尋找方法來防止冠狀病毒在室內積聚到危險水平。有些學校為教室購買了空氣清淨器，而有些學校則開始用箱型風扇和過濾器自製空氣清淨機。

隨著疫情消退，人們的注意力從空中威脅轉移。在美國的學校裡，空氣清淨機逐漸被視為噪音幹擾而非救生技術。

「他們中的許多人被開除，這真的令人難過，」非營利組織「學校清潔空氣」聯合主任戴維·卡雷爾說。 “事實上，三、四年前，孩子們呼吸著更清潔的空氣。”

新冠病毒從未離開；它只是加入了一個不斷增長的空氣傳播病原體的行列。

僅透過空氣傳播的麻疹正在美國疫苗接種不足的地區重新出現。流感透過多種途徑傳播，但航空旅行似乎是最重要的途徑之一。

除了傳染性細菌之外，室內空氣還可能含有其他威脅，例如塵蟎蛋白、黴菌孢子和花粉粒。

工程師不斷開發複雜的系統來保持空氣健康。豪華公寓大樓偶爾會誇耀用於保障租戶安全的技術。但這些系統遠未普及。

「我認為健康的室內空氣解決方案尚未在更廣泛的市場上推廣的原因之一是它們價格昂貴，」格林博士在接受採訪時說。 “我們需要的是既節能又健康的解決方案。”

Green 博士本身就是空氣微生物的專家，她在 ARPA-H 啟動了這個項目，致力於實現這些解決方案：呼吸，為空氣和整體健康打造有彈性的環境。目標是讓建築物像撲救火災一樣抵抗疾病。

當煙霧啟動煙霧偵測器時，建築物的控制系統可以透過噴頭噴水或釋放滅火化學物質來做出反應。

無需等待有人檢查跡象並決定如何應對。

四個團隊獲得了創建這些系統的合約。它們都面臨著重大的工程挑戰。

識別漂浮的病原體比檢測煙霧困難得多。極低濃度的細菌或過敏原可能是危險的。這意味著感測器必須對大量空氣進行採樣，將液滴和顆粒儲存在液體中進行分析。

「這些設備需要將一池空氣之類的東西濃縮到一湯匙中，」格林博士說。每個團隊都在嘗試不同的策略。

SafeTraces 是一家加州公司，它領導一個團隊製造空氣採樣器，這是一個低矮、寬闊的白色金屬盒子。空氣流經盒子進入濾筒，化學物質在濾筒中分解細胞並分離它們所含的基因。

此盒包含分子鉤，每個分子鉤都可以鉤住病原體的特定 DNA 或 RNA 序列。如果鉤子抓住任何遺傳物質，它就會發出閃光。

研究人員希望他們的感測器能夠檢測到多達 100 種病原體。他們還正在開發軟體，可以識別感測器訊號何時意味著居住者面臨感染的高風險。

然後軟體可以做出回應，也許可以打開醫院通風系統中的紫外線燈。 （除了麻疹病毒之外，紫外線還可以消除許多空氣傳播的危害。）醫院工作人員可能會被提示採取額外的防護措施，以避免吸入病原體。一旦感測器偵測到威脅已經消失，醫院就可以恢復正常營業。

由佛羅裡達州 Poppy 公司領導的另一個團隊正在設計一個可以在學校使用的系統。來自團隊空氣採樣器的訊號將打開教室的空氣濾清器。他們一直跑到教室裡的空氣恢復安全為止。

馬爾博士的團隊專注於日托服務。他們正在開發一種軟體，可以創建設施房間的模型，預測房間之間的空氣流動情況，以及如果有人帶著感染進入大樓，每個房間會造成的威脅。該系統可以從外部泵入新鮮空氣或打開空氣清淨機以減少威脅。

所有團隊都致力於在現實世界中測試他們的系統。 SafeTraces 計劃於 2028 年在沃爾特里德國家軍事醫療中心測試原型。 Marr 博士的團隊正準備在加州、密西根州和北卡羅來納州的兒童保育中心測試其係統。

該技術旨在在每種情況下將呼吸道疾病減少至少 25%。但這些系統也必須能夠負擔購買和營運的費用。 ARPA-H 預計該系統將提供 10% 的投資回報率。

義大利卡西諾大學和南拉齊奧大學的環境工程師 Giorgio Buonanno 沒有參與這些​​項目，他表示 BREATHE 的方法很有趣，但有點異想天開。

「我對其在現實世界中的合理性持懷疑態度，」他說。博南諾博士傾向於更簡單的策略，例如要求建築物每小時交換一定量的空氣，並使用二氧化碳感測器來追蹤建築物內積聚的呼出空氣量。

「我不認為這些東西是相互排斥的，」內布拉斯加大學醫學中心的空氣生物學家約書亞桑塔皮亞說，他正在為學校開發空氣採樣器。但他表示，需要像 BREATHE 這樣雄心勃勃的努力才能將室內空氣安全提高到更高的水平。

「我們不能僅僅通過發送大量郵件來訪問互聯網，」桑塔皮亞博士說。