人造鳃

类似于鱼鳃，人造鳃的基本原理是氧气分子的扩散与传质(mass transfer)。人造鳃中氧气的传质可以简化为三个串联的过程：

1. 氧气从水的本体中传输至水-膜界面
2. 氧气在膜中的扩散和迁移，即从水-膜界面传输至膜另一侧
3. 氧气从膜的另一侧界面传递到管道内的氧气吸收液体（或气体）中

在这三个过程中，主要影响传质速率的是第一步（氧气分子在水中的传输）和第二步（氧气分子在膜中的传输）^[1]。氧气在水中的传质速率受很多因素影响，如扩散距离（鱼鳃中鳃板的间距）、管道形状等，而氧气在膜中的传质速率主要与膜材料有关。

根据设计的不同，人造鳃有许多种不同的结构。总的来说，人造鳃的结构都包含以下几个部分：水流经的管道，分离膜，膜另一侧的氧气吸收液体（或气体）管道，以及驱动水和其他液体流动的泵和电源。

最早见于文献报道的人造鳃的尝试来自上世纪80年代，明尼苏达大学化工系的Cussler等使用中空纤维膜模拟鱼鳃，做出了一个可以供实验狗呼吸的人造鳃^[2]。然而，这个装置分离溶解氧的能力非常有限，远不足以供人在水中呼吸。

为了提高氧气在膜另一侧的传质效率，20世纪末到21世纪初，来自早稻田大学化工系的研究小组尝试在膜另一侧通入可以大量溶解氧气的液体，例如全氟化碳类有机物^[3]。该小组还尝试了其他可以随外界条件变化改变氧气溶解度的载氧液体，例如含血红蛋白的溶液（随pH改变氧气亲和力）^[4]、含钼卟啉的液体（随光照改变氧气亲和力）^[5]等。这一类人造鳃基本的工作原理是用疏水的中空纤维膜作为鳃，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、光照或改变pH的方式将富氧液体中的氧气释放出来。在一篇报道中，他们还根据实验中获得的数据计算了这样的人造鳃满足供人呼吸所需的基本参数，如膜表面积、体积和所需输入的功率。计算显示，该装置可以在相对较小的体积下，以150W左右的功率运行，提供正常人平均每分钟所需的氧气（约1L）^[3]。

为了进一步压缩人造鳃的尺寸，美国凯斯西储大学化工系的研究人员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^[6]。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。生产这一装置时，首先用光刻技术在两张微流控芯片上凿出形状可控的管道，然后用一张透氧的PDMS薄膜将两张芯片隔开并封装芯片，膜一侧的管道通水，另一侧通入载氧液体，以实现类似鳃的功能^[7]。虽然因成本问题该装置无法实用化，但研究人员利用该装置总结出了更好的利于氧气传质的管道排列方式^[8]。

此外，以色列工程师Alon Bodner发明过一种不依赖膜分离器的人造鳃。^[9]该装置用一台离心泵通过减压将水中溶解的所有气体一并分离出来，然后再压缩后供人呼吸。不过该装置能耗较高故而难以用在个人水下呼吸器上。^[10]

将人造鳃植入体内，让血液和海水通过膜直接进行气体交换，理论上也是一种可行的思路，比如美国发明家Arnold Lande设计过一个植入人体的人造鳃系统。^[11]但目前的膜材料并不具备可与血液长期接触的生物相容性，^[12]故而这一设计仍只停留在图纸阶段。

自然界中鱼类选择用鳃呼吸，是因为大部分鱼类都是冷血动物所以耗氧量较小。事实上，海洋中的大型哺乳动物（如海豚和鲸类）仍在进化中选择用肺呼吸，因为作为温血动物的哺乳动物耗氧量很大，而水中氧气的溶解度和传质速率都不利于提供大量氧气供它们呼吸。^[13]因此，人造鳃若要达到实用化的水平，仅模仿自然界中的鱼鳃是不够的，更要在多项指标上超过天然鱼鳃的性能，这给人造鳃的设计带来了许多额外的困难。

4.1 能耗

如前所述，人造鳃需要一个泵。这个泵的作用是驱动膜两侧的液体运动，以加速氧气的传质速率，尤其是驱动氧气在水中的传质速率，因为在无对流的情况下，氧气在水中自由扩散的速率非常慢，比在空气中慢约五个数量级。^[14]这是人造鳃能耗来源的主要部分。

除了基本的能耗，如果人造鳃采用类似休闲潜水中常用的开路式水肺，随着深度的增加，需要产生额外的气体以与外界的水压保持平衡。根据压强定律，水深每增加10米，压强相当于增加一个大气压。故而人造鳃在水下的实际功耗将远大于文献报道的理论值。能耗的增加意味着电池体积的增加，在现有的电池技术下，这让人造鳃的小型化变得非常困难。

4.2 复杂性

为了降低人造鳃的能耗，可以将人造鳃整合到循环式水肺中。在循环式水肺里，氧气和氦气（平衡气）分别储存在两个气罐中，只需要调节氦气的压力就可以与外界的水压平衡，氧气分压可以保持不变，所以相应地也就大大减少了氧气的浪费。^[15]然而，循环式水肺目前尚没有在休闲潜水中大规模商品化，一个很重要的原因是循环式水肺结构复杂，导致操作难度大，且故障率高。^[16]如果在循环式水肺中进一步整合人造鳃，将使整个装置复杂性进一步增加，同时可靠性进一步降低，而这在潜水这种高风险运动中是难以接受的。

4.3 性价比

人造鳃的初衷是通过模仿鱼类尽可能延长人类在水下的呼吸时间。然而，现有的水肺技术足以满足大部分休闲潜水的需求，而在技术潜水领域，全封闭式循环式水肺（CCR）可以足够维持数小时的水下呼吸。^[17]对潜水员而言，数小时的水下活动时间足以满足绝大部分休闲或技术潜水的需求。而即便人造鳃可以克服能耗过高、小型化困难等一系列问题，考虑到装置的复杂性以及研发成本，人造鳃仍将是一种非常昂贵的技术。从市场的角度出发，人造鳃并不具备功能或造价方面的优势。

虽然人造鳃作为供潜水员个体水下呼吸的装置存在很多实用化的困难，但通过膜装置从水中提取溶解氧的思路可以运用在许多其他场合。

对许多燃料电池而言，氧气是必不可少的。如果要将燃料电池用在水下环境中，利用人造鳃提取溶解氧是个可行的思路。燃料电池利用人造鳃提取的氧气产生电力，然后再用一部分电力驱动人造鳃，可以实现氧气来源的自给自足，省去了专门携带一个储氧装置的必要。^[18]

另外，人造鳃也可以用在电力来源充足、且对装置小型化无太高要求的场合，比如潜艇中。事实上，已经有生产商对在小型潜艇中使用人造鳃产生了一定的兴趣。^[19]

利用透氧薄膜作为隔膜，理论上也可以在水下搭建无需额外氧气来源的房屋。韩国科学家用几种不同的透氧薄膜搭建了一个可供甲虫生存60小时的“房屋”，证明了这个想法的可行性，虽然二氧化碳的除去仍是个有待解决的问题。^[20]

作为一种非常具有科学浪漫主义的设计，人造鳃时常出现在各种电影、漫画等文学作品中。实现这一设计对很多人来说都是一件非常有诱惑力的想法。然而，也有人利用这一点，试图通过人造鳃非法集资。2016年，一个叫“Triton”的公司在集资网站Indiegogo上声称自己已成功做出了小型化的人造鳃，还放了一段视频，并希望大众捐款以推动该产品进入市场。^[21]短短几周，该公司便募集了约$900000的资金。但很快，便有科学家指出该设计的不合理之处。^[22]这一事件最终以Triton承认视频中使用的其实是小型气瓶，并全部退还所有筹款而告终。^[23]