论文部分内容阅读
明尼苏达大学的爱德华·卡斯勒早在1980年就制作了能够从水中提取氧气的人工腮。他的梦想是这一设备有一天能使他像一条鱼那样在水中呼吸。
卡斯勒并不是第一个梦想像鱼那样游的人。在1962年，水下探险先驱雅克·库斯托就预言了水栖人类的出现：人类通过手术装上腮。库斯托说：“肺将被绕过去，水栖人类将能够在水中的任何深度生存和呼吸任意长的时间，而不会受到任何伤害。”
当然，我们中的大多数人不会选择求助于手术安装人工腮。新技术的发展能够解决困扰卡斯勒的问题、为我们创造一个实用的人工腮吗？这样的人工腮将不仅使
潜水者受益，它还有从为潜艇提供氧气到驱动燃料电池等许多其他用处。
人工腮
制造一个粗糙的人工腮出奇地简单。你所需要的不过是一个由膜制成的不透水的箱子，这种膜对气体具有高度的通透性。将这个箱子充满空气并置于水下，你就得到了一个人工腮。溶解在水中的氧气和二氧化碳与水面以上空气中氧气和二氧化碳的水平达到了平衡，因此，氧气和二氧化碳通过膜的扩散将导致箱子里氧气和二氧化碳的浓度接近于空气。如果箱子里的氧气水平下降了，水中更多的氧气将扩散进来，与此同时多余的二氧化碳将从箱子里扩散到水中。
在1961年，也就是第一个高通透性的硅酮膜制造出来几个月之后，通用电气公司的沃尔特·罗布制造了一个能维持仓鼠生命的腮。不用说，人类需要比仓鼠多得多的氧气。水中的氧气不会有空气中那么多——根据温度的不同，每升海水中有4～6毫升氧气。因此，为了得到足够的氧气，你要做的不仅是使膜上的水快速流动，还需要巨大的表面积能够立刻提取出更多的氧气。根据生理学家查尔斯·帕加内利的计算，所需的表面积最小要达到80平方米。
为了使腮实用，巨大的表面积必须压缩至一个很小的空间内。肺泡正是利用同样的方法使我们的肺拥有很大的表面积。
在20世纪80年代，东京的富士系统设备公司为潜水者开发了一系列原型腮，而最先进的名为“辅助泵3”的原型是由方形箱组成的，它必须置于潜水者的前方。它很大，但它确实有效。在2002年的一次电视转播中，它使一名潜水者在游泳池下待了30分钟。
尺寸并不是它的惟一问题。普通的空气中氧气占21%。就像卡斯勒的人工腮一样，“辅助泵3”所能维持的氧气浓度也只有大约16%。这样低浓度的氧气会削弱人清晰思考的能力，这是潜水者所不愿看到的。
这样看来仅依靠气体的扩散而起作用的腮还不够好。需要有一些方法来提高氧气的浓度。我们知道这是可能的：鱼给自己的浮囊充气，这可以确保它们浮在水中，同时从水中提取纯氧。
两循环系统
在20世纪80年代，北卡罗来纳州杜克大学的约瑟夫和西莉亚·博纳文图拉发现，鱼是在对pH值敏感的血红蛋白——运送氧气的血液蛋白质——的帮助下做到这一点的。当浮囊周围的细胞向血液中释放乳酸时，血液pH值的下降导致氧气释放进入浮囊，以确保鱼在潜入更深的水中时的氧气量。
这对夫妇认识到他们可以通过模仿鱼的这个过程创造出人工腮，实现多种用途。摈弃了鱼的血红蛋白，这两人计划利用合成化学物质，这种物质可以与氧气牢固地结合，而当它穿过一个电极时可以释放氧气。博纳文图拉夫妇为潜水者设计的腮由两个循环组成。在第一个循环中，人工血红蛋白将从水中提取氧气。在这个循环的另一端，携带氧气的血红蛋白将流过一个电极并释放氧气，释出的氧气会穿过一个膜进入运送可呼吸空气的第二个循环。
但是这一计划从未走出试验阶段。卡斯勒和帕加内利并不认为两循环系统是人工腮的发展方向。
前面说到低浓度氧气会对人体造成伤害，但高度浓度氧危害更大。随着潜水者下潜，更高的压力一方面压缩可呼吸的气体，另一方面使得更多的气体溶入水中。由于氮气占空气的比例大约为80%，所以大部分损失的是氮气。为了阻止肺崩溃，腮将不得不向可呼吸的气体中泵入更多的氧气。氧气的比例因此而得到了增加，这会导致一个问题：在9米深的水下，纯氧会变得有毒。因此，具有讽刺意味的是，在你潜入较深的水下时，如果你想从水中获得所需要的氧气，你将不得不携带惰性氮以避免氧气所造成的伤害。
再呼吸系统
来看看以色列发明者阿隆·博德纳的成果吧。他开发出一种创新的方法，利用一种工业过程分离液体中的空气。这一方法的基础是：如果你降低液体的压力，例如利用离心泵，溶解在水中的气体将会变成气泡溢出。博德纳声称他的电池驱动的设备几乎能够将溶解在水中的气体全部提取出来。如果是海水，它提取出的气体中将包含34%的氧气。至关重要的是，由于博德纳的设备可从水中同时提取氮气和氧气，氮气损失将不再是个问题。
但是这种方法也有问题。为了提供足够一名潜水员在水面呼吸的空气的量，这套系统一分钟将处理超过1000升水。下潜10米，压力会增加一倍，因此你需要提取两倍的空气才能达到与在水面上时相同的量。下潜得越深，需要提取的空气就越多。惟一能使这一系统实用化的方法是使其提取的部分空气实现再呼吸。
再呼吸系统的另一个限制因素不是携带氧气，而是清除二氧化碳。滤毒罐（包含二氧化碳吸附物，可清除二氧化碳）只能维持几个小时。它不能被再次使用，要替换它也很昂贵。博德纳的方法确实解决了利用膜的腮所带来的一些大问题，但它也牺牲了腮的巨大优势：腮在清除二氧化碳方面更胜一筹。
可预见的未来
人工腮在可预见的未来最可能的用处是为驱动水下机器的燃料电池提供氧气。原型已经开发了出来。
未来，人工腮也许可以用于为潜艇供氧或为水下栖息地提供用于呼吸的氧气。博德纳将此作为他所开发的设备最有可能的用武之地。
事实上，长时间潜水的主要理由是避免得减压疾病。减压疾病是由与利用膜的腮导致的氮损失完全相同的现象引发的：给气体加压，更多的气体将溶解在血液或者水里。过快地浮出水面可能在人体组织中形成潜在的致命气泡。在关节中，它会导致极度的疼痛并破坏软骨。在血液中，它可堵塞大脑的毛细血管。潜水者沉在水下的时间越长，他浮出水面就越得缓慢。
因此，人工腮的发明者们也许在试图解决一个错误的问题。潜水者所需要的并不是为了能在水下待更长的时间而从水中获得空气的方法，而是一种避免减压疾病的方法。
有一种方法：用携带氧气的液体替换惰性气体。呼吸液体——在电影《深渊》中名噪一时——将改变潜水。我们能够潜入非常深的地方并以你喜欢的速度浮出水面。尽管医学试验证明它是安全的，它却不像电影中所建议的那样简单。人类的肺不能将某种密度的液体以足够快的速度吸入和排出，因而也就不能产生足够的氧气，因此你需要管子从喉部伸下去以使液体循环。
安阿伯密歇根大学的外科医生罗纳德·赫希尔正在开发可处理各种肺部疾病的技术。赫希尔认为呼吸液体也许极度不舒服。尽管如此，他认为有一天潜水者会适应液体呼吸。当潜水员呼吸液体变得十分熟练时，也许人工腮将可以提供氧气。
【责任编辑】庞云
卡斯勒并不是第一个梦想像鱼那样游的人。在1962年，水下探险先驱雅克·库斯托就预言了水栖人类的出现：人类通过手术装上腮。库斯托说：“肺将被绕过去，水栖人类将能够在水中的任何深度生存和呼吸任意长的时间，而不会受到任何伤害。”
当然，我们中的大多数人不会选择求助于手术安装人工腮。新技术的发展能够解决困扰卡斯勒的问题、为我们创造一个实用的人工腮吗？这样的人工腮将不仅使
潜水者受益，它还有从为潜艇提供氧气到驱动燃料电池等许多其他用处。
人工腮
制造一个粗糙的人工腮出奇地简单。你所需要的不过是一个由膜制成的不透水的箱子，这种膜对气体具有高度的通透性。将这个箱子充满空气并置于水下，你就得到了一个人工腮。溶解在水中的氧气和二氧化碳与水面以上空气中氧气和二氧化碳的水平达到了平衡，因此，氧气和二氧化碳通过膜的扩散将导致箱子里氧气和二氧化碳的浓度接近于空气。如果箱子里的氧气水平下降了，水中更多的氧气将扩散进来，与此同时多余的二氧化碳将从箱子里扩散到水中。
在1961年，也就是第一个高通透性的硅酮膜制造出来几个月之后，通用电气公司的沃尔特·罗布制造了一个能维持仓鼠生命的腮。不用说，人类需要比仓鼠多得多的氧气。水中的氧气不会有空气中那么多——根据温度的不同，每升海水中有4～6毫升氧气。因此，为了得到足够的氧气，你要做的不仅是使膜上的水快速流动，还需要巨大的表面积能够立刻提取出更多的氧气。根据生理学家查尔斯·帕加内利的计算，所需的表面积最小要达到80平方米。
为了使腮实用，巨大的表面积必须压缩至一个很小的空间内。肺泡正是利用同样的方法使我们的肺拥有很大的表面积。
在20世纪80年代，东京的富士系统设备公司为潜水者开发了一系列原型腮，而最先进的名为“辅助泵3”的原型是由方形箱组成的，它必须置于潜水者的前方。它很大，但它确实有效。在2002年的一次电视转播中，它使一名潜水者在游泳池下待了30分钟。
尺寸并不是它的惟一问题。普通的空气中氧气占21%。就像卡斯勒的人工腮一样，“辅助泵3”所能维持的氧气浓度也只有大约16%。这样低浓度的氧气会削弱人清晰思考的能力，这是潜水者所不愿看到的。
这样看来仅依靠气体的扩散而起作用的腮还不够好。需要有一些方法来提高氧气的浓度。我们知道这是可能的：鱼给自己的浮囊充气，这可以确保它们浮在水中，同时从水中提取纯氧。
两循环系统
在20世纪80年代，北卡罗来纳州杜克大学的约瑟夫和西莉亚·博纳文图拉发现，鱼是在对pH值敏感的血红蛋白——运送氧气的血液蛋白质——的帮助下做到这一点的。当浮囊周围的细胞向血液中释放乳酸时，血液pH值的下降导致氧气释放进入浮囊，以确保鱼在潜入更深的水中时的氧气量。
这对夫妇认识到他们可以通过模仿鱼的这个过程创造出人工腮，实现多种用途。摈弃了鱼的血红蛋白，这两人计划利用合成化学物质，这种物质可以与氧气牢固地结合，而当它穿过一个电极时可以释放氧气。博纳文图拉夫妇为潜水者设计的腮由两个循环组成。在第一个循环中，人工血红蛋白将从水中提取氧气。在这个循环的另一端，携带氧气的血红蛋白将流过一个电极并释放氧气，释出的氧气会穿过一个膜进入运送可呼吸空气的第二个循环。
但是这一计划从未走出试验阶段。卡斯勒和帕加内利并不认为两循环系统是人工腮的发展方向。
前面说到低浓度氧气会对人体造成伤害，但高度浓度氧危害更大。随着潜水者下潜，更高的压力一方面压缩可呼吸的气体，另一方面使得更多的气体溶入水中。由于氮气占空气的比例大约为80%，所以大部分损失的是氮气。为了阻止肺崩溃，腮将不得不向可呼吸的气体中泵入更多的氧气。氧气的比例因此而得到了增加，这会导致一个问题：在9米深的水下，纯氧会变得有毒。因此，具有讽刺意味的是，在你潜入较深的水下时，如果你想从水中获得所需要的氧气，你将不得不携带惰性氮以避免氧气所造成的伤害。
再呼吸系统
来看看以色列发明者阿隆·博德纳的成果吧。他开发出一种创新的方法，利用一种工业过程分离液体中的空气。这一方法的基础是：如果你降低液体的压力，例如利用离心泵，溶解在水中的气体将会变成气泡溢出。博德纳声称他的电池驱动的设备几乎能够将溶解在水中的气体全部提取出来。如果是海水，它提取出的气体中将包含34%的氧气。至关重要的是，由于博德纳的设备可从水中同时提取氮气和氧气，氮气损失将不再是个问题。
但是这种方法也有问题。为了提供足够一名潜水员在水面呼吸的空气的量，这套系统一分钟将处理超过1000升水。下潜10米，压力会增加一倍，因此你需要提取两倍的空气才能达到与在水面上时相同的量。下潜得越深，需要提取的空气就越多。惟一能使这一系统实用化的方法是使其提取的部分空气实现再呼吸。
再呼吸系统的另一个限制因素不是携带氧气，而是清除二氧化碳。滤毒罐（包含二氧化碳吸附物，可清除二氧化碳）只能维持几个小时。它不能被再次使用，要替换它也很昂贵。博德纳的方法确实解决了利用膜的腮所带来的一些大问题，但它也牺牲了腮的巨大优势：腮在清除二氧化碳方面更胜一筹。
可预见的未来
人工腮在可预见的未来最可能的用处是为驱动水下机器的燃料电池提供氧气。原型已经开发了出来。
未来，人工腮也许可以用于为潜艇供氧或为水下栖息地提供用于呼吸的氧气。博德纳将此作为他所开发的设备最有可能的用武之地。
事实上，长时间潜水的主要理由是避免得减压疾病。减压疾病是由与利用膜的腮导致的氮损失完全相同的现象引发的：给气体加压，更多的气体将溶解在血液或者水里。过快地浮出水面可能在人体组织中形成潜在的致命气泡。在关节中，它会导致极度的疼痛并破坏软骨。在血液中，它可堵塞大脑的毛细血管。潜水者沉在水下的时间越长，他浮出水面就越得缓慢。
因此，人工腮的发明者们也许在试图解决一个错误的问题。潜水者所需要的并不是为了能在水下待更长的时间而从水中获得空气的方法，而是一种避免减压疾病的方法。
有一种方法：用携带氧气的液体替换惰性气体。呼吸液体——在电影《深渊》中名噪一时——将改变潜水。我们能够潜入非常深的地方并以你喜欢的速度浮出水面。尽管医学试验证明它是安全的，它却不像电影中所建议的那样简单。人类的肺不能将某种密度的液体以足够快的速度吸入和排出，因而也就不能产生足够的氧气，因此你需要管子从喉部伸下去以使液体循环。
安阿伯密歇根大学的外科医生罗纳德·赫希尔正在开发可处理各种肺部疾病的技术。赫希尔认为呼吸液体也许极度不舒服。尽管如此，他认为有一天潜水者会适应液体呼吸。当潜水员呼吸液体变得十分熟练时，也许人工腮将可以提供氧气。
【责任编辑】庞云