人造腮，把人變成“魚”

從潛水甲蟲獲得啟發(fā)

在上個世紀六七十年代，科學家們關(guān)于人造鰓的研究，主要集中在利用高通透性薄膜制造人造鰓上。

利用高通透性薄膜來制造人造鰓的理論，最早是由丹麥生物學家理查德艾格提出來的。20世紀初的一天，艾格來到一口池塘邊，研究潛水甲蟲的生活習性。他看到潛水甲蟲每隔一段時間，便會從池塘底部浮出水面，尋找水面上的氣泡，然后將氣泡放在翅膀下或者腹部末端，通過身體上的氣孔呼吸氣泡中的氧氣。這些水泡就像是一個個氧氣包，為潛水甲蟲提供著充足的氧氣，幫助它們順利地完成水下之旅?？粗鴿撍紫x帶著氣泡一次次地潛入水中，艾格突然想到，如果我們能夠研制出一種可以將水阻隔在外面，但卻能夠讓空氣自由通過的薄膜，不就可以用這種膜制造可供人們在水中呼吸的“人造鰓”了嗎？按照艾格的設想，這種由薄膜制成的“人造鰓”，其外形像一只方形的箱子，里面充滿了空氣。潛水員帶著這種人造鰓潛入水中后，當鰓中的氧氣含量下降，二氧化碳濃度增加時，在空氣壓力的作用下，為了達到內(nèi)外壓力平衡，水中的氧氣便會通過薄膜擴散到人造鰓中，與此同時，人造鰓里的二氧化碳也會通過薄膜擴散到水中，通過這種一進一出的氣體交換，人造鰓中便能始終保持充足的氧氣。有了這種人造鰓，潛水員就可以像魚一樣在水中自由呼吸，長時間停留在水下了。

“膜腮理論”提出，

小老鼠在水中存活很久

艾格的這個“膜鰓理論”提出以后，引起了科學家們的濃厚興趣。經(jīng)過大家的不懈努力，1961年，世界上第一片

可以用于制造人造鰓的高通透性薄膜——硅酮膜終于研制出來了。幾個月后，通用電氣公司的科研人員沃爾特羅布便利用硅酮膜制造了一個箱形的人造鰓。他將一只小老鼠放入鰓中，然后沉入水里，結(jié)果，小老鼠在水下存活了很長時間?？墒?，水中的氧氣卻沒有空氣中那么多——根據(jù)溫度的不同，每升海水中大約只有4~6毫升的氧氣。因此，為了得到足夠的氧氣，我們必須讓人造鰓周邊的水快速流動，以確保硅酮膜能夠始終與富含氧氣的水體接觸。此外，人造鰓還必須擁有龐大的表面積，以便能夠在極短的時間內(nèi)從水中提取出足夠的氧氣。根據(jù)測算，硅酮膜人造鰓要從水中提取到人呼吸所需的氧氣，其表面積最小要達到80平方米，而且還必須讓水不斷地從人造鰓表面快速流過。

大幅壓縮“人造腮”表面積

讓潛水員拖著一個羽毛球場那么大的人造鰓，在水中快速潛行顯然是一件不可能完成的任務。因此，要想讓人造鰓投入實際應用，我們必須先設法將人造鰓龐大的表面積，壓縮至一個很小的空間內(nèi)?？茖W家們在苦苦尋覓了幾年之后，終于有一天，美國明尼蘇達大學的愛德華卡思勒教授在一家醫(yī)院參觀時，突然想到了一個大幅壓縮人造鰓表面積的好辦法。

讓卡思勒教授大受啟發(fā)的是醫(yī)院里的一臺“人工肺”。這臺人工肺是醫(yī)院給病人做心臟搭橋手術(shù)時，給病人的血液補充氧氣用的。在手術(shù)的過程中，病人的血液被抽送到人工肺中，然后在一個由微小的、只允許氣體通過的細管組成的網(wǎng)絡中流動。在壓縮表面積上，這些細管與人體的肺泡有著異曲同工之妙。我們的肺由大約3億多個略呈半球形的小肺泡組成。這些小肺泡在人體的胸腔中所占的體積并不大?？墒牵绻覀儗⑦@些小肺泡全部剖開，它們的表面積可以高達80多平方米。很快，卡思勒便制作了一個布滿細小管狀膜的人造鰓。他將一只名叫馬金思的小狗裝入人造鰓，然后沉入密西西比河中。3小時后，當馬金思被放出來時，仍然活蹦亂跳的。但隨后的數(shù)據(jù)顯示，人造鰓中的氧氣含量只有16％左右。而陸地上空氣中的氧氣含量是21%。也就是說，他的這個人工鰓雖然解決了表面積過大的問題，但仍然無法提供人體正?；顒铀枰难鯕狻５蜐舛鹊难鯕猓瑫绊懭祟惔竽X的功能，削弱人清晰思考的能力，而在幾十米深的水下，錯誤的決定將是致命的。

科研人員另辟蹊徑

至此，對于利用薄膜制造人造鰓的研究似乎步入了一條死胡同。于是，一些科研人員開始另辟蹊徑，尋找新的研究方向。以色列科學家阿龍博德勒就是其中之一。2004年，他成功地研制出了一種新型的人造鰓樣品。

博德勒的發(fā)明是以“亨利定律”為理論基礎(chǔ)的。“亨利定律”認為，可溶解于液體中的氣體數(shù)量與液體的壓力成正比。提高液體表面的空氣壓力，就會有更多的氣體溶入液體中；反之，把液體表面的壓力減小，則溶解在液體中的氣體又會被釋放出來。

博德勒所發(fā)明的人造鰓上有一個進水口和一個出水口。進水口可以吸取一定量的水，然后通過一臺離心泵，降低人造鰓中的液體壓力，溶解在水中的空氣于是變成小氣泡溢出，從而獲得供人呼吸的空氣。

目前，博德勒的人造鰓每分鐘可以從200升水中提取1升空氣。他認為這已足夠普通潛水者使用了?，F(xiàn)在，博德勒的這種人造鰓還只有一個試驗樣品。他打算接下來進一步縮小這種人造鰓的體積，以便將其與潛水員所穿著的潛水服整合為一體。有人預計，如果一切進展順利的話，幾年之后，潛水員就可以甩掉沉重的氧氣瓶，穿上像馬甲一樣的人造鰓，在水下像魚一樣自由地呼吸了。