为什么没有研制出像鱼鳃一样直接从水里面取氧的水肺？

二维码

鱼的种类那么多，鱼鳃的结构看样子也不复杂，都已经进入DNA时代了为什么还没有研究研制出这种直接能够从水中换取氧气的水肺呢？这个科研攻关的难度在哪里？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/33303479

检验医师

很简单，因为水里含氧量太低了，还不如直接压缩空气来的方便。
这个问题自然界都有了解答，水里生物链顶端的生物是什么？虎鲸，连大白鲨都敢直接去群体猎杀的海洋顶级猎食者。
虎鲸从哪里获得氧气？答案水面，人家是哺乳动物。。。

检验医师

水里面溶解的氧太少了，难以维持哺乳动物的生存，没办法，人的代谢速度太快了。
你说鱼怎么活的？人家鱼是冷血动物，连体温恒定都做不到，正八经心脏都没有，就是一截粗一些的血管，人家代谢慢，不需要那么多氧气。

不是技术做不到，而是你这个方向点错了，所以才没人做。

队长是我

水中氧气比例太低现有的设备转化太慢，人类需要吸入45升水才能提取到0.05克氧气，这是人类每秒所需要的最低限度，试想你每秒通过人工鳃吸入45L水有多费劲，哺乳动物不似鱼类仅需要极少的氧气就能维持器官和大脑，海洋大型哺乳动物都是依靠浮出水面进行呼吸补充氧气，而且它们的肺能够储存更多的氧气来维持下潜时间，再一个，水里的氧气转化后仅为纯氧，人类呼吸需要少量比例的氮气，带上鱼鳃的同时还需要有氮气瓶，长期吸入纯氧会导致氧气中毒。所以目前的科技水平还不够，人工鳃不仅要能转化氧气还需要转化氮气，目前每秒吸入45L水的只能依靠人工鳃内置微型水泵来实现，能量只能通过电池，且需要大续航的电池才能持久的下潜。所以现在还不行，也许以后会有更持久的电池能转化氮气的装置，好消息是目前通过研究硬骨鱼类的鳃用3D打印出来的人工鳃，不过较为复杂目前还在实验室阶段，最关键的是人类的肺不能很好的适应液态氧，时间过长会缺氧，或者氧气过多，易在水中昏厥

卡卡

海水中的氧含量大约是每吨5克。常压氧气密度是1.43克/升，也就是说每吨海水中溶解了大约3.5升氧气。假设提取效率约为60%，即每吨海水可提供2升氧气。
12L潜水氧气瓶最大压强200atm，以使用150atm的安全标准计算，也就是相当于常压1800L，其中氧气约占1/5，也就是360L。
所以一个12L气瓶中的氧气相当于180吨海水中溶解的氧气。
以一个气瓶支持1小时计（根据潜水深度不同，消耗速度差别很大），这个构想中的【海水氧气提取设备】每分钟至少需要过滤3吨海水，也就是每秒钟从50升海水中提取氧气。
假设该设备进出水口半径均为10厘米，水流速度需要达到6.4米/秒。不考虑氧气提取的难度，光是水泵就要输出1千瓦以上的功率。
背个15公斤重的氧气瓶不香吗？
<hr/>题外话：
不考虑成本的话，过氧化物是更有竞争力的方案。只要不到300克过氧化钠，就能提供40升氧气。

大力水手

都2024年了，还有人在关注这个问题吗？很明显，人造鳃还是没有变成现实。关于为什么原理上很难，可以直接跳转至原回答。这里更新两个动态：
下文中提到的这家公司最近又公开了一个新的专利（WO2024042314），基本上还是走中空纤维膜的路子，只不过测试中用了更先进的膜材料，然而根据原回答的讨论，由于氧气在水中的扩散速率和溶解度都很低，即便是他们的最新材料搭成的装置，依然需要很大的膜面积：



按照给定条件得到的线性关系，第一行为实测数据，下面为改变水的流速（意味着需要一个耗能的泵）所得到的预测值

考虑到原回答讨论过的各种问题，包括现有水肺技术的简单和低成本，以及需要平衡水压的气体的问题，这些尝试依然在不断说明，以目前的技术人造鳃离实用化还是相当遥远，甚至可能就是一条错误的道路。
那么，既然提问的人提到了DNA，我们能从生物演化中得到什么启示呢？
海洋哺乳动物无一例外都放弃了鳃，而是用了类似自由潜这种憋气下潜，这里面隐藏的进化上的智慧，有一点跟我们人类是共同的：即大脑相对发达的温血动物对耗氧量不成比例的增加，而这是大部分鱼类无法比拟的。
也许，这已经暗示了鳃对人类探索海洋可能不是一条正路。
往偏题一点说，通过基因改造等方式，借鉴其他海洋哺乳动物，提高人类自由潜的能力，可能技术上可行度更高些——当然，这也不是改造一两个基因就能简单成功的，但至少东南亚的巴瑶人已经在这个维度上打败了99%的其他地球人[5]
而有鉴于此，答主从写原答案的时候，便有意无意的转向开发一些有助于提升基因编辑效率的工具，从小核酸到递送载体，在并不那么顺利的科研中，做了一点微不足道的贡献，有兴趣的读者可以参考专利AU2022348141A（提出了一种新的小干扰RNA修饰模板以增强敲除基因的效率）CN118164866A（提出了一种向肌肉递送基因的工具）
<hr/>都2021年了，还有人在关注这个问题吗……如果有的话，刚好有一点动态更新下。
人造鳃这个领域其实严肃的科学研究已经停滞很久了，不过最近有一篇新公开的专利。英国的一家名为Amphibio（翻译过来应该叫“两栖生物”）的公司，申请了一种可穿戴的人造鳃设计的专利，专利号WO2019243826. 我来给大家解读一下，顺便加深一下原回答繁琐原理的理解：
这篇专利中，发明者描述了一种基于隔水透气可穿戴织物的人造鳃设计。其实材料没啥特别的，根据专利中的描述，主要还是基于超疏水多孔膜，这种膜的化学结构类似家用不粘锅，因此即便上面有一些微米级小孔，在水压不太大的情况下，水都因自身的表面张力无法透过（想想雨伞的原理）。因此，这样的人造鳃中水的传质阻力基本上受限于氧气在水中的传输速率（而不是氧气分子在膜中的扩散速率），这个时候水在人造鳃表面相当于形成了一层等效的“水膜”，如专利中配图所示：


很明显，发明者知道这一点，如果他们看过这篇知乎的回答，也许会意识到这个问题是很难克服的（因为很难改变水本身的属性）。不过他们还是很认真的做了一些实验，并得到了一些数据。
根据专利中公开的内容，最终实验表明，他们的织物需要至少约20平方米，才能满足一个人的呼吸耗氧量。发明者也承认，因为人体的表面积有限（大约只有不到2平方米），如果要做到可穿戴，那可能还得需要再通过其他方式补充氧气，比如氧气瓶（啊这……）。
可见，从90年代的聚二甲基硅氧烷（见下文原回答）到今天，不靠外部能源的辅助，人造鳃的体积还是没办法大幅度小型化。当然，这也是意料中的事情。
稍微补充说明一下Amphibio这家公司和创始人，虽然离实用化产品还差得远，但这种努力和尝试还是值得肯定的。该公司的创始人Jun Kamei可能是世界上（除了答主本人以外）最狂热最认真的人造鳃dreamer, 此人同时拥有帝国理工学院工业设计的硕士和日本东北大学化学工程的硕士，早在几年前就设计过一个人造鳃的原型，并拿过设计界大奖。但很明显他对人造鳃的执着是严肃的，因此竟真的在英国成立了一家公司，并延揽了一些材料学和化学工程的博士来研究这个问题。当然，作为一个公司，还是要注意风险控制的，所以他们的基础产品是更环保的防水透气织物，人造鳃则是他们的终极追求。有这样的热情和资本，哪怕是追求一个很缥缈的想法，其实也是非常令人羡慕的。
<hr/>以下为原回答：
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。这个最慢的一步，在鱼和人造鳃中是不一样的[4]. 鱼类经过亿万年的进化，优化了鱼鳃鳃丝长度、表面血管的间距等一系列因素，最慢的一步是第二步（氧气的跨膜传输）。但人造鳃里，最慢的一步是第一步，也就是氧气在水中的扩散。水是黏度极大的液体，而且氧气在水中溶解度很低，所以氧气在水中扩散的很慢。
如果要改进人造鳃使其达到实用化的程度，首先要优化人造鳃内部管道之间的间距、管道之间交错的角度等问题，使第一步不再成为限速步骤。然后才是膜材料问题。当然，假如人造鳃的管道可以优化到如鱼鳃一般，考虑到人造的氧气交换膜可能有比鱼鳃更高的气体交换速率，人造鳃完全可以比鱼鳃更高效。
但即便如此，人造鳃还是需要一个泵来驱动海水在膜的另一侧流动。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。
补充一点：CCR还有一个节省氧气的原因在于，在一般的水肺潜水中，随着水压的增加，吸入的气体压强也要相应地增加，所以深度越大消耗气体的速度就越快，而CCR系统里的氧气和氦气（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（氦气也不会被浪费因为系统是封闭的且氦气既不会被人体利用也不会被CO2吸收剂吸收）。如果考虑到以上很多文献中的数据都是按地面上人每分钟的呼吸量计算得出的话，那么人造鳃如果直接用在一般的水肺上，随着深度的增加，功耗将更为惊人。如果用来取代CCR中的氧气源，又进一步增加了CCR的复杂程度，降低了CCR的可靠性（CCR未能全面推广的一大原因就是因为可靠性低于一般的水肺，实际上对于潜水来说，大多数事故都不是因为氧气耗尽，而是因为机械故障或别的原因），也是得不偿失的。
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，理论上也有实现的可能性。然而实际上，以目前电池技术和其他技术所能达到的水平，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。
人造鳃如果要想成为一种可以与现有技术竞争的技术，恐怕不走植入人体这条路线（类似于体外膜式人工心肺）是不行的。如果只是从水中分离氧气供潜水员呼吸的话，除了分离氧气所需的功率，还需要给气体加压到至少与周围水压平衡，跟氧气瓶相比有点多此一举。如果未来膜材料的生物相容性提高到可以长期植入体内而不用担心血栓形成等一系列问题，那么人造鳃这个想法还是有吸引力的。膜一侧的血液流动是靠心脏来驱动的，所以只要用泵驱动另一侧海水（或间接的，携氧液体）流动即可，省去了给气体加压所需的大量能耗，电池也就不是什么大问题了。另一方面，血液中的氮气可以直接扩散到海水中，也避免了潜水的大敌——减压病的发生。当然，即便技术上可行，这样半永久性地改造人体的激进尝试有多少市场，也是一个未知数。
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.
[4] Matsuda N, Sakai K, Technical evaluation of oxygen transfer rates of fish gills and artificial gills, ASAIO J. 1999 Jul-Aug;45(4):293-8.
[5] Physiological and Genetic Adaptations to Diving in Sea Nomads
Ilardo, Melissa A. et al.
Cell, Volume 173, Issue 3, 569 - 580.e15
P.S 按照上文的讨论，在现有的技术背景下，用人造鳃作为潜水员的氧气来源似乎既难以实现又没有成本优势。但这并不意味着人造鳃相关的研究没有意义。正如我所说，制约人造鳃成为个人休闲潜水氧气来源的主要因素还是在于耗电量太大，然而，对潜艇来说，电源不是问题，尤其是核潜艇。事实上，从水中分离溶解氧作为潜艇的氧气来源的研究正在进行，详见LikeAFish Technologies的最新动态部分。
在国外的技术网站上看到的一篇英文报道，有人宣称自己发明了人造鳃，并以此募集资金。然而大多数专家表示这很有可能是诈骗，具体理由和上面说的差不多。详见：People have spent more than $600K on electronic 'gills' that experts say are science fiction