人造鳃,让你在水中像鱼一样自由

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  从古到今,人们就幻想着有朝一日,自己也能够像鱼一样,在水中自由呼吸,尽情遨游。
  为了帮助人类实现移居海洋的梦想,科学家尝试发明一种可以帮助人类在水中呼吸的人造鳃。上个世纪六七十年代,关于人造鳃的研究主要集中在利用高通透性薄膜制造人造鳃上。
  受潜水甲虫的启发,丹麦生物学家理查德·艾格设想研制一种由薄膜制成的“人造鳃”,其外形像一只方形的箱子,里面充满了空气。
  潜水员带着这种人造鳃潜入水中后,当鳃中的氧气含量下降,二氧化碳浓度增加时,在空气压力的作用下,为了达到内外压力平衡,水中的氧气便会通过薄膜扩散到人造鳃中,与此同时,人造鳃里的二氧化碳也会通过薄膜扩散到水中,通过这种一进一出的气体交换,人造鳃中便能始终保持充足的氧气。有了这种人造鳃 ,潜水员就可以像鱼一样在水中自由呼吸,长时间停留了。
  艾格的这个“膜鳃理论”提出以后,引起了科学家们的浓厚兴趣。1961年,世界上第一片可以用于制造人造鳃的高通透性薄膜——硅酮膜终于研制出来了。几个月后 ,通用电气公司的科研人员沃尔特罗布便利用硅酮膜制造了一个箱形的人造鳃。
  他将一只小老鼠放入鳃中,然后沉入水里,结果小老鼠在水下存活了很长时间。虽然罗布的这个实验让人们看到了一丝曙光,但实验所得出的一些数据也让人们意识到,想要制造成功真正的人造鳃,还需要跨越许多障碍。
  在水中,人类所需的氧气要比小老鼠多得多。可是,水中的氧气却没有空气中那么多——根据温度的不同,每升海水中大约只有4~16毫升的氧气。
  为了得到足够的氧气,我们必须让人造鳃周边的水快速流动,以确保硅酮膜能够始终与富含氧气的水体接触。此外,人造鳃还必须拥有庞大的表面积,以便能够在极短的时间内从水中提取出更多的氧气。
  为此,美国明尼苏达大学的爱德华·卡思勒教授根据“人工肺”的原理,联想到可以将硅酮膜也做成一根根细小的圆柱形管子,将大量的表面积压缩至一个小小的空间里。
  卡思勒按照自己的想法,制作了一个布满细小管状膜的人造鳃,并将一只小狗装入人造鳃,然后沉入密西西比河中。3小时后,小狗被放出来时,仍然活蹦乱跳。
  试验的成功,并没有让卡思勒高兴多久。因为随后测得的数据清楚地显示,人造鳃中的氧气含量只有16%左右。于是,一些科研人员开始另辟蹊径,寻找新的研究方向。
  2004年,以色列科学家阿龙·博德勒成功研制出一种新型的人造鳃样品。博德勒的发明是以“亨利定律”为理论基础的。“亨利定律”认为,可溶解于液体中的气体数量与液体的压力成正比。提高液体表面的空气压力,就会有更多的气体溶入液体中;反之,把液体表面的压力减小,则溶解在液体中的气体又会被释放出来。
  博德勒所发明的人造鳃上,有一个进水口和一个出水口。进水口可以吸取一定量的水,然后通过一台离心泵,降低人造鳃中的液体压力,溶解在水中的空气于是变成小气泡溢出,从而获得供人呼吸的空气。
  博德勒的人造鳃每分钟可以从200升水中提取1升空气。这已足够普通潜水者使用了。接下来,博德勒打算进一步缩小这种人造鳃的体积,以便将其与潜水员所穿的潜水服合为一体。
  预计在不久的将来,潜水员就可以甩掉沉重的氧气瓶,穿上像马甲一样的人造鳃,在水下像鱼一样自由地呼吸了。
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