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从潜水甲虫获得启发
在上个世纪六七十年代，科学家们关于人造鳃的研究，主要集中在利用高通透性薄膜制造人造鳃上。
利用高通透性薄膜来制造人造鳃的理论，最早是由丹麦生物学家理查德艾格提出来的。20世纪初的一天，艾格来到一口池塘边，研究潜水甲虫的生活习性。他看到潜水甲虫每隔一段时间，便会从池塘底部浮出水面，寻找水面上的气泡，然后将气泡放在翅膀下或者腹部末端，通过身体上的气孔呼吸气泡中的氧气。这些水泡就像是一个个氧气包，为潜水甲虫提供着充足的氧气，帮助它们顺利地完成水下之旅。看着潜水甲虫带着气泡一次次地潜入水中，艾格突然想到，如果我们能够研制出一种可以将水阻隔在外面，但却能够让空气自由通过的薄膜，不就可以用这种膜制造可供人们在水中呼吸的“人造鳃”了吗？按照艾格的设想，这种由薄膜制成的“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，长时间停留在水下了。
“膜腮理论”提出，
小老鼠在水中存活很久
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。经过大家的不懈努力，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。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4~6毫升的氧气。因此，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足够的氧气。根据测算，硅酮膜人造鳃要从水中提取到人呼吸所需的氧气，其表面积最小要达到80平方米，而且还必须让水不断地从人造鳃表面快速流过。
大幅压缩“人造腮”表面积
让潜水员拖着一个羽毛球场那么大的人造鳃，在水中快速潜行显然是一件不可能完成的任务。因此，要想让人造鳃投入实际应用，我们必须先设法将人造鳃庞大的表面积，压缩至一个很小的空间内。科学家们在苦苦寻觅了几年之后，终于有一天，美国明尼苏达大学的爱德华卡思勒教授在一家医院参观时，突然想到了一个大幅压缩人造鳃表面积的好办法。
让卡思勒教授大受启发的是医院里的一台“人工肺”。这台人工肺是医院给病人做心脏搭桥手术时，给病人的血液补充氧气用的。在手术的过程中，病人的血液被抽送到人工肺中，然后在一个由微小的、只允许气体通过的细管组成的网络中流动。在压缩表面积上，这些细管与人体的肺泡有着异曲同工之妙。我们的肺由大约3亿多个略呈半球形的小肺泡组成。这些小肺泡在人体的胸腔中所占的体积并不大。可是，如果我们将这些小肺泡全部剖开，它们的表面积可以高达80多平方米。很快，卡思勒便制作了一个布满细小管状膜的人造鳃。他将一只名叫马金思的小狗装入人造鳃，然后沉入密西西比河中。3小时后，当马金思被放出来时，仍然活蹦乱跳的。但随后的数据显示，人造鳃中的氧气含量只有16％左右。而陆地上空气中的氧气含量是21%。也就是说，他的这个人工鳃虽然解决了表面积过大的问题，但仍然无法提供人体正常活动所需要的氧气。低浓度的氧气，会影响人类大脑的功能，削弱人清晰思考的能力，而在几十米深的水下，错误的决定将是致命的。
科研人员另辟蹊径
至此，对于利用薄膜制造人造鳃的研究似乎步入了一条死胡同。于是，一些科研人员开始另辟蹊径，寻找新的研究方向。以色列科学家阿龙博德勒就是其中之一。2004年，他成功地研制出了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。
目前，博德勒的人造鳃每分钟可以从200升水中提取1升空气。他认为这已足够普通潜水者使用了。现在，博德勒的这种人造鳃还只有一个试验样品。他打算接下来进一步缩小这种人造鳃的体积，以便将其与潜水员所穿着的潜水服整合为一体。有人预计，如果一切进展顺利的话，几年之后，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。
在上个世纪六七十年代，科学家们关于人造鳃的研究，主要集中在利用高通透性薄膜制造人造鳃上。
利用高通透性薄膜来制造人造鳃的理论，最早是由丹麦生物学家理查德艾格提出来的。20世纪初的一天，艾格来到一口池塘边，研究潜水甲虫的生活习性。他看到潜水甲虫每隔一段时间，便会从池塘底部浮出水面，寻找水面上的气泡，然后将气泡放在翅膀下或者腹部末端，通过身体上的气孔呼吸气泡中的氧气。这些水泡就像是一个个氧气包，为潜水甲虫提供着充足的氧气，帮助它们顺利地完成水下之旅。看着潜水甲虫带着气泡一次次地潜入水中，艾格突然想到，如果我们能够研制出一种可以将水阻隔在外面，但却能够让空气自由通过的薄膜，不就可以用这种膜制造可供人们在水中呼吸的“人造鳃”了吗？按照艾格的设想，这种由薄膜制成的“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，长时间停留在水下了。
“膜腮理论”提出，
小老鼠在水中存活很久
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。经过大家的不懈努力，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。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4~6毫升的氧气。因此，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足够的氧气。根据测算，硅酮膜人造鳃要从水中提取到人呼吸所需的氧气，其表面积最小要达到80平方米，而且还必须让水不断地从人造鳃表面快速流过。
大幅压缩“人造腮”表面积
让潜水员拖着一个羽毛球场那么大的人造鳃，在水中快速潜行显然是一件不可能完成的任务。因此，要想让人造鳃投入实际应用，我们必须先设法将人造鳃庞大的表面积，压缩至一个很小的空间内。科学家们在苦苦寻觅了几年之后，终于有一天，美国明尼苏达大学的爱德华卡思勒教授在一家医院参观时，突然想到了一个大幅压缩人造鳃表面积的好办法。
让卡思勒教授大受启发的是医院里的一台“人工肺”。这台人工肺是医院给病人做心脏搭桥手术时，给病人的血液补充氧气用的。在手术的过程中，病人的血液被抽送到人工肺中，然后在一个由微小的、只允许气体通过的细管组成的网络中流动。在压缩表面积上，这些细管与人体的肺泡有着异曲同工之妙。我们的肺由大约3亿多个略呈半球形的小肺泡组成。这些小肺泡在人体的胸腔中所占的体积并不大。可是，如果我们将这些小肺泡全部剖开，它们的表面积可以高达80多平方米。很快，卡思勒便制作了一个布满细小管状膜的人造鳃。他将一只名叫马金思的小狗装入人造鳃，然后沉入密西西比河中。3小时后，当马金思被放出来时，仍然活蹦乱跳的。但随后的数据显示，人造鳃中的氧气含量只有16％左右。而陆地上空气中的氧气含量是21%。也就是说，他的这个人工鳃虽然解决了表面积过大的问题，但仍然无法提供人体正常活动所需要的氧气。低浓度的氧气，会影响人类大脑的功能，削弱人清晰思考的能力，而在几十米深的水下，错误的决定将是致命的。
科研人员另辟蹊径
至此，对于利用薄膜制造人造鳃的研究似乎步入了一条死胡同。于是，一些科研人员开始另辟蹊径，寻找新的研究方向。以色列科学家阿龙博德勒就是其中之一。2004年，他成功地研制出了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。
目前，博德勒的人造鳃每分钟可以从200升水中提取1升空气。他认为这已足够普通潜水者使用了。现在，博德勒的这种人造鳃还只有一个试验样品。他打算接下来进一步缩小这种人造鳃的体积，以便将其与潜水员所穿着的潜水服整合为一体。有人预计，如果一切进展顺利的话，几年之后，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。