科学已经这么发达了，为什么还没有研制像鱼鳃一样直接从水里面取氧的水肺？ Tiannan Hu，在化学系搞生物的医学研究者/潜水爱好者 终于在知乎上看到了一个想回答且有信心回答好的问题。从小就对这个问题感兴趣，在本科阶段还做过一些严肃的科学研究和调查。但迄今为止，世界上没有一个组真正研发出实用化的人造鳃。 先说说人造鳃的历史：从上世纪 60 年代起，明尼苏达大学化工系的 Cussler 就提出了用聚二甲基硅氧烷这样的膜材料实现从水中分离溶解氧的想法[1]。他甚至还做出了一个样机，能供一只小狗呼吸。但远远达不到供人呼吸的程度。上世纪 90 年代，日本的富士系统公司为了展示他们新一代的非对称聚二甲基硅氧烷有多棒，也做过一个人造鳃，不过其体积非常大，有一个多冰箱那么大，在演示时需要推着在水里不断前进来获取足够的氧气，而且只维持潜水员正常呼吸了 18 分钟。 20 世纪以来，先后有至少两个组对人造鳃做过严肃的科学研究。早稻田大学化工系的 Kiyotaka Sakai 组在 2003 到 2005 年发过几篇文章[2]，大概的原理是用疏水的中空纤维膜作为人造鳃，膜外与外界水体接触，膜内用泵驱动可富氧的液体通过，再从另一侧通过加热或光照的方式将富氧液体中的氧气释放出来。示意图如下： 但是，无论怎样优化，都无法将维持这套系统提供一个人足够正常呼吸（仅仅是静息时）的氧气的能量降低到 150W 一下。虽然氧气的来源理论上是解决了，但电源又成了问题。 美国凯斯西储大学化工系的 Harihara Baskaran 也曾经拿到过美国海军的经费与其他公司合作研发人造鳃，他们的思路是用微流控芯片取代中空纤维膜作为人造鳃的鳃体。这样做的好处，是因为微流控芯片是通过光刻技术“打印”出来的，所以可以设计管道的形状从而将效率最大化。事实上，凯斯西储大学还试着用这一技术实现人工肺[3]： 然而，这个项目最终也不了了之。微流控芯片加工的成本要大大高于中空纤维膜，而且怎样把这么多微流控芯片集成起来也是问题。另外，还是需要一个泵来驱动水流过这些微通道。 历史就先讲到这。下面来分析一下为什么人造鳃的实现如此困难，甚至比登月难度还要大： 首先要科普一下有关人造鳃的理论基础。这里面涉及的最重要的原理，就是氧气的传递过程。化工里将所有物质的传输都归结为“传质”。在人造鳃里，可以简单地认为有三个“串联”的传质过程： 1. 氧气在从水的本体中传输到水 - 膜界面 2. 氧气从膜的一侧传输到另一侧 3. 氧气从膜的另一侧界面传递到管道内的富氧液体（或气体）中 在这三个过程中，最慢的一步决定了整个过程的速度。在半个世纪前，膜技术还不够先进，最慢的一步发生在第二步，即氧气在膜中扩散。然而，现在的膜技术已经比较先进，有的多孔疏水膜实际上膜两侧的气液界面是直接接触的，疏水膜起到一个阻碍水穿透的作用，并不妨碍传质。膜另一侧的富氧液体或者气体可以选择，所以最慢而且是很难改变的一步变成了第一步，也就是氧气在水的本体中传输的过程。这个过程之所以很慢，是由水的理化性质决定的。水分子之间有很强的氢键，所以水是黏度非常大的液体，氧气在水中扩散，需要从中费力地挤过去。 说到这里，有人可能会问了，为什么鱼用鳃可以活的好好地呢？ Good question. 其实也不是所有的鱼用鳃都活的很舒服。有一种鱼，得不停地通过游动来维持氧气供应——鲨鱼。因为鲨鱼没有鱼鳔。而鱼鳔的存在，是为了让鱼可以经常浮在水面上喘口气。这也说明，光靠鱼鳃，那鱼必须不停地游动。 于是又回到了刚才说的氧气在水里的输运过程。虽然氧气在水中自由扩散的速度很慢，但可以通过对流的方式促进氧气的传质效率。鲨鱼在水里不停地游动，就是为了“主动出击”，在有限的时间里让鱼鳃表面和更多含溶解氧的海水接触对流，才能获取足够维持生命活动的氧气。 然而鱼类是冷血动物，冷血动物的耗氧速率要大大低于人类这样的温血动物。况且人的游动并不像鱼类那么有效率。所以为了产生足够的对流，就必须用泵驱动水从不断流经膜的表面。这就是为什么所有的人造鳃到最后都产生了一个不可避免的问题：泵有多费电？ 如果泵的费电程度，达到了用商品化的电池驱动所能维持的时间，还不如氧气瓶的话，这么昂贵复杂的设计不就变得没有意义了吗？ 然而很不幸，至少以目前的储能技术，情况的确如此。全封闭可循环式水下呼吸器（CCR）的问世，让人造鳃的研究雪上加霜。CCR 的续航能力，据说可以轻松达到两小时以上。这是因为在一般的 SCUBA 中，呼出的气体直接排放进了海水里。然而人呼出的气体里，仍有 16%的氧气（吸入的气体中含 21%的氧气）。CCR 的原理，是用 CO2 吸收剂将人呼出的气体中的 CO2 吸收掉，然后再补充少量氧气，便可维持呼吸。其结果，便是 CCR 的续航时间，相当于一般气瓶的四到五倍。 所以结论是，人造鳃是个看起来非常具有科学浪漫主义的想法，然而实际上，无论是可行性还是经济性，都不如现在已有的技术。更复杂的东西不一定更优秀，这也是工程学经常遇到的事情。 参考文献： [1] Ming-Chien Yang, E.L.Cussler, Artificial gills, Journal of Membrane Science, 1989, 42:273-284. [2] Kenichi Nagase et al, Rearrangement for hollow fibers for enhancing oxygen transfer in an artificial gill using oxygen carrier solution, Journal of Membrane Science, 2005, 254:207-217. [3] Joseph A. Potkay, The promise of microfludic artificial lungs, Lab on a Chip, 2014, 14:4122-4138. 查看知乎原文
