答案是有人企圖眾籌一個這樣的裝置，潛水愛好者歡呼雀躍，積極籌款，但是似乎此創意不被專家看好……

從幾年前的一個眾籌專案說起

2016年一個叫Triton的專案曾經以下面的這個人工腮設計在Indiegogo進行眾籌，幾天內就籌到了70萬刀。媒體們於是迫不及待地以半科幻的方式為我們展示了這個設計。

上圖：人工腮外觀設計，像是兩個把手，但那實際上是腮的功能性部分，水將進入把手內的空隙。

上圖：人工腮的基本原理是利用孔徑小於水分子的材質，將水中的氧氣從水中分離出來。據說南韓科學家已經研發出了這種材質。

上圖：人工腮內部的機電設計。電池倉和壓縮泵將水壓入人工腮結構。

Triton被認為是一種投機炒作。 天然鰓之所以能夠有效工作實際上是因為幾乎所有帶鰓的動物都是冷血動物，它們需要的氧氣比相同大小的溫血動物要少得多。因此，人造腮需要極大的效率跟水體進行氣體交換才能滿足人類的需要，這一點在工程上和可行性上對設計原理、適用性和製造技術都是巨大的挑戰。

上圖：魚類腮的工作原理。在溶氧量低於1%的水中，魚鰓的氧氣交換效率其實不低。

我們來算一下

使用標準的氧氣溶解度表，可以得出處於海平面的淡水在室溫（68℉）下含有約9.1毫克/升的氧氣，就是.0091克。

人類成年人在休息時每天（保守地）將使用617克氧氣，約合每分鐘0.42克。但這個數字變化很大，取決於個人的新陳代謝、體型、運動等等。但是對於這種情況，如果將.42除以.0091，則將得到大約46.1。 這是人工腮支援人生存的最小的過濾水量。而要獲得較好的功能體驗，前述的人工腮每分鐘必須要過濾45至90升水的水（就是45-90公斤），而且這僅僅是滿足人的靜息代謝。如果要動起來，這個水量還要翻倍。裝備了全閉路迴圈呼吸器的普通潛水員在游泳時每分鐘需要1.5升氧氣，在休息時每分鐘需要0.64升氧氣。因此，每分鐘至少需要192升的海水，而且該系統在缺氧水中不起作用，這裡計算還是基於藻類豐富的熱帶地區的海水，其每升水含有5-8毫克的氧氣。

上圖：肺泡是如何浪費氧氣的——21%進，15%出，只吸收了6%左右。肺泡的氧氣交換效率低於腮，因為大氣中的氧氣濃度遠高於水中溶解的氧氣，這“慣壞”了陸生動物們。

人類肺泡對氧氣的低利用率也是人造腮的挑戰，花費大量成本過濾得來的氧氣，確因為人的肺不能吸收而必須撥出。人造腮必須要回收這些氧氣，這需要不同於從水中過濾氧氣的機制，這給人造腮帶來了設計和製造複雜度。

總結

人類作為高需氧量高代謝率的溫血動物要靠腮生活在水中有諸多挑戰，從目前的科技水平看不到解決之道。

魚透過腮提取水中的氧氣,有沒有人發明一種和腮原理一樣的人造“腮”讓人類生活在水裡？

昨天剛回答了魚之所以有逆流而上的習慣，原因之一除了產卵洄游、索餌洄游、越冬洄游外，魚兒逆水遊動可以在魚前進的作用力和水流衝擊力的雙重作用下使得魚鰓間隙增大，使得魚兒能夠得到更為充足的氧氣供應。

而要回搞清楚這個問題，我們首先應該瞭解清楚魚鰓的作用以及魚鰓的工作原理。

我們都知道魚鰓是魚類的呼吸器官，其作用就是過濾氧氣然後排出二氧化碳，其主要工作原理就是透過鰓片與水體接觸獲取水體中融入的氧氣，然後透過鰓片中表皮很薄的微血管將接觸的氧氣透過血液送到身體的各個部位，同時體內的二氧化碳也由血液送達微血管薄壁傳到水中，在魚的口部和鰓蓋的交替開閉之間完成氧氣和二氧化碳氣體的交換以維持體內的平衡。

基於這一原理，有科學家大膽的提出方案並付諸實施，認為只要造出一個像魚一樣能夠正常呼吸的“人工腮”，這將對水下作業帶來前所未有的改變，多的不說，就拿潛水作業來說，人們不用再揹著繁瑣的氧氣罐了，只需要戴上一個像頭盔一樣的面罩就能在水中暢遊。那麼事實上真是如此嗎？

不過，理想往往很豐滿，現實環境中氧氣是難溶於水的，平均1升的水中大約只能溶解30毫升的氧氣，並且氧氣的溶解度與水溫、壓力等多種因素直接關係。如果按照正常的氧氣溶解度來計算，水體中的耗氧量約為0.03/1=3%，而正常情況下空氣中的氧氣約佔21%，二者相差近7倍，很顯然即使完全擁有魚鰓一樣的“人工腮”也不可能適應水中的環境，畢竟人類的陸生呼吸系統也是經過漫長的生活史進化而來，氧氣不足會導致身體各器官的正常運轉。

總之，人類每時每刻的氧氣需求是要明顯大於水生動物的，總不可能造一個無限大的水體氧氣過濾系統吧，那還不如在現有的氧氣罐上下功夫，將其改造得更適用一些。

對於陸生動物的人類羨慕著水中自由自在的魚兒，羨慕著天上無憂無慮的鳥兒。期待著擁有一雙翅膀可以展翅飛翔，也期待著有一種小巧裝置可以實現在水中自由呼吸。

理想很豐滿現實很骨感，這種人造鰓的原理並不難，但是要想真正的實現卻是難度不小

鰓是硬骨魚的呼吸器官，當魚兒在水中游動水會進入嘴中然後透過兩側的鰓排出，魚鰓表面存在細弱的毛細血管血液流動方向與水流方向相反，這樣有利於氧氣的提取和血液中二氧化碳的釋放。

魚類是冷血動物耗氧量很低並且利用效率較高，但即使在這種情況下魚還需要在水中不斷地遊動來攝取水中更多的氧氣以備呼吸。

但是人類可以嗎？

首先我們哺乳動物的呼吸系統效率很低，這可能跟地球上的氧氣含量有很大關係，呼吸一口空氣但是氧氣的利用率也就百分之三十左右，其他的會隨著二氧化碳撥出體外。同時我們相對於魚類會需要大量的氧氣，才足夠我們的身體活動所需。

但是水中含氧量非常低，並且含氧量會受到溫度、壓力等影響，標準溫度、壓力下海面上含氧量大約是每升8mg，而大氣中標準狀態下每升含氧量310mg。一個成年人正常情況下每天要呼吸將近2萬次，吸入空氣大約是16立方米左右，大約會吸入750g的氧氣。

如果理想狀態下人造鰓可以把水中氧氣全部提取出來，那麼在水中每分鐘至少要過濾200升以上的水。那麼這種情況下就會產生幾種後果：

一、人類在水中游動的速度要足夠的塊，以讓人造鰓過濾個更多的水；

二、人造鰓與水的接觸面積要足夠大；

三、如果上邊兩個條件都不考慮，那就需要人造鰓自動過濾水，那麼需要足夠的功率。在這種條件下，要想保證足夠的電量，那麼攜帶的裝置可能比氧氣瓶還要重，這就沒有意義了。

像南韓人設計的Triton人造鰓非常精巧，就像一個防水面罩一樣，但是個人比較懷疑這種未來概念產品的實用性和真實性。

在所有魚類的特性中，水下呼吸的能力是人類最羨慕的，魚類水下呼吸是透過鰓完成的，水透過鰓部時進行氣體交換。而人工鰓是一種未經證實的概念裝置，能讓人類從周圍的水中吸收氧氣，目前仍屬於科幻小說的範疇，只是一種推測性的技術，還沒有變成現實。

人工鰓最大的問題之一是大小。幾乎所有有鰓的動物都是冷血動物，新陳代謝較慢，所以它們比同樣大小的恆溫動物需要更少的氧氣。因為人類是溫血動物，新陳代謝旺盛，所以需要更多的氧氣。一升空氣中含有200毫升的氧氣，但是每升水只有5毫升左右的氧氣。因此即使一個人佩戴的人造鰓效率高達100%，人工鰓每分鐘也必須處理100-200升的水，才能保證在水中的氧氣需求。這意味著，以目前的技術，一個可以提取一個人呼吸所需要的氧氣的人工鰓裝置將會有一輛大巴那麼大，這就是為什麼早期的人造鰓的設計特點是在大揹包裡有巨大的葉輪來推動水透過裝置。此外，人工鰓還裝有一臺壓縮機和一個儲氣罐來儲存呼吸的空氣，以及某種調節器把儲存的高壓空氣變成可呼吸的壓力。

能夠在水下自由呼吸而不受重型裝置的阻礙是一個共同的夢想，這個概念多年來一直困擾著世界頂尖科學家和軍事承包商。2016年曾經有一家公司在Indiegogo網站上發起眾籌，聲稱自己發明了世界上第一個人造鰓換氣器Triton，價格為300美元。發明者聲稱他們的人造鰓技術可以讓使用者在水下呼吸45分鐘，只需透過一個多孔過濾器吸水並從中提取氧分子，專案在短短几天內籌集到70萬美元。不幸的是，這似乎也是一個白日夢，引發了大量的批評和爭議，因為一些科學上不可能的說法而受到抨擊。Triton的發明者隨後取消了他們在Indiegogo上的眾籌活動，退還了所有支持者的資金。

一家名為Like-A-Fish的以色列公司目前也正致力於提高人工鰓的效率，早期他們測試一個原型，該裝置的潛在應用領域將是潛艇和水下棲息地，在這些地方，尺寸不是問題。這個人造鰓原型機使用高速離心機來降低密封室中的海水壓力，讓水中的空氣重新逸回到氣態，釋放儲存到安全氣囊中。然而，這款裝置也有它自己的缺點，功率太大太依賴於電池電量。

魚透過腮提取水中的氧氣,有沒有人發明一種和腮原理一樣的人造“腮”讓人類生活在水裡？

天上飛和水裡遊是人類的夢想，儘管我們都實現了，但並不能做到“自由”，因為還被束縛在各種條件中，當然翼裝飛行算一種，但這是屬於勇敢者的遊戲！水裡遊呢？能像魚兒一樣自由游來游去嗎？

當然水中自由的條件呼吸是少不了的，一般的情況就是帶上輕裝潛水具，然後背上壓縮空氣瓶進行水下活動！但事實上魚兒在水裡是可以自由呼吸的，因為水中有溶解氧，而魚的血液與氧氣交換的“肺”就是它的鰓，維持它生命最重要的工具就是我殺魚時必須清理的那部分！

硬骨魚的鰓和人類的肺功能是一樣的，水流從魚的口部進入有魚鰓流出的時候水流與血流方向相反，逆流交換將二氧化碳帶走，水流中溶解氧則透過交換進入血液迴圈到魚全身！在2016年時有個叫Triton的眾籌專案，目的就是製造出一個能在水下自由呼吸的人工鰓，因為人體不可能改變自身血液中氧的交換方式，因此人工鰓和魚鰓在具體功能上還是很大區別的！

因為人類仍然用肺交換氧氣與二氧化碳，所以人工鰓必須從將水中的溶解氧提取成氣體狀態，然後儲存供人類呼吸！那麼這個人工鰓需要多大的氧氣供應量呢？一個成年人在休息狀態大約每天消耗約600-800g，這個數值差異會很大，跟體型新陳代謝以跟人體狀態影響都很大，不過我們可以參考一下！水中的溶解氧比例大約為0.0091克/升

那麼一個成年人每分鐘需要消耗約：0.417克

需要過濾總共約：45.8L水才能得到人類維持最低活動需要呼吸的下限！

這這明顯就是一個水泵了，而如果要得到比較好的體驗，那麼其所需要的呼吸量會大大增加，我們並不擔心這個腮達不到要求，但這個電池實在夠嗆，因為從圖示的比例看起來，電池容量不可能太大，也許僅能維持部分時間，但這僅僅是數學計算而已，而水中的溶解氧並不均勻，看起來似乎還要掛上一個壓縮空氣瓶來解決這個問題！

但這樣就解決所有問題了嗎？並沒有！

1.純氧中毒！另一個問題是從水裡溶解氧中提取的屬於純氧，人長時間呼吸純氧會造成氧中毒，如果要按比例加入氮氣的話必須要用一個壓縮氣瓶！

2.維持比較低壓力的純氧呼吸時間可以堅持更久一些，但即使實現也需要限制使用時間，說到這裡大家也許會發現一個問題，即如果要自由自在的水下工作，那麼可能要帶上一個壓縮氣瓶補充氮氣

3.而氮氣呼吸並不能在水下太深，30M水下氮氣呼吸超過1小時即有可能產生麻醉作用，因此如果要更深的話必須攜帶氦氣瓶補充！

您是不是有一種問題層出不窮的感覺？畢竟人的身體結構適合在一個大氣壓中工作與生活，水下高壓環境下我們人類並不是太適應，如果要強行要在水下工作的話，那麼請安規程來，畢竟身體健康還是第一位！

因此Triton的眾籌專案要獲得成功非常困難，即使實現也存在各種各樣的限制，當然噱頭還是不錯的，比如短時間的淺水下游玩那可能是個不錯的選擇，其實還不如設計一套高壓微型潛水裝具，能堅持個十幾分鍾也就差不多了，成本低，見效快，攜帶方便！

這個一定是偽科技。我們從他的空氣製造能力來分析:

從圖片可以推斷它的尺寸，總體積不超過300毫升。因此，它的儲存空氣量不可能300毫升。在室溫情況下，空氣在水中的溶解量17ml/1000ml。正常人在一次呼吸中，呼入空氣大約為500毫升/2秒。

從以上資料可以計算得出，此裝置需要在1秒內，產生約500毫升的空氣，供人吸氣使用。裝置需要處理的水量為29.5kg.

假如，此裝置300毫升的體積，均為氣水分離換裝置，裝置每秒鐘需要工作98.3個迴圈，等於是352800迴圈/小時。這個轉速與1.5排量，4缸4衝程汽車發動機，在時速超過200公里以上時，的高轉速相當。

鑑於現在高轉速微型電機的尺寸，及所需電池的尺寸，這個呼吸裝置不可能這麼小。

這個裝置靠牙齒，咬在嘴上，此呼吸裝置每秒鐘吸入29.5公斤的水，相當於一大桶礦泉水。因此產生做用力，作用在人的脖子上，這是人體所不能承受的。

有以上可以推斷，這必然是偽科技。圍觀的群眾還是散了吧！

潛水確實是人類的一大軟肋，雖然目前人類已經有了氧氣瓶等潛水裝置，但是氧氣瓶很笨重不說，其中氧氣的含量也相對較少，這決定了人不能在水裡待太久。如果人能夠像魚那樣直接從水中獲取氧氣的話，人在水中就可以“如魚得水”了。那麼，人能不能透過仿生學制造一個與魚鰓同樣遠離的“鰓”幫助人類在水下生存呢？還真的有人這麼幹了。

早在2018年，國外的一位設計師就從007電影中詹姆斯邦德水下打鬥時嘴巴上戴的一個呼吸器上找到了靈感，雖然電影中的呼吸器是虛構的，但這位設計師還真的設計出來了，這款產品叫人造魚鰓呼吸器，取名為Triton。

從外觀上看，這個呼吸器就是由兩個腳踏車車柄拼在一起的，中間由一個圓柱形的設計相連，如下圖：

最關鍵的是，在一些呼吸裝置中，通常會填充上一些具有吸附作用的物質，而這個產品裡什麼填充物都沒有。那麼它是如何工作的呢？原來這個呼吸器內部內建了細微的震動壓縮機和過濾膜，它的工作原理是水先進入了兩個車柄狀的結構的內部（上面有無數個小孔），然後透過震動壓縮機將水中的氧氣與水分離，之後再經由過濾膜過濾，使得新鮮的氧氣進入到人的嘴中，這樣人就可以從水中源源不斷的獲得氧氣了。

乍一看這個產品非常的牛X，看到它，我們似乎看到了可以自由在水中呼吸和徜徉的自己。但是，這個產品只是概念性產品，它還有著諸多的不足之處。

首先，震動壓縮機是透過電池工作的，而電池都是有容量的。而且電池的容量通常與其體積呈正比，而如此小巧的呼吸器內要植入一塊電池，它的蓄電量是比較少的。透過測試，研發者發現，在滿電的狀態下，這塊電池只能支撐人在4.6米的深度堅持45分鐘。

其次，不同的人對氧氣的需求是不一樣的。根據科學的測試，人每次吸入的空氣約為500ml，而正常情況下，人每分鐘要呼吸16-20次，也就是說人一分鐘要吸入8-10升的空氣，按照空氣中氧氣佔比21％算，人一分鐘至少需要1.7升的氧氣。

這還是在正常的情況下，而在水下，人所受的壓力以及人在移動時（上面的測試資料是人固定在4.6米的深度產生的），需要的氧氣甚至會翻倍。需要的氧氣量翻倍，人必然會增加呼吸的頻率，此時電池的電量消耗必然也會加倍，這就會造成下水沒多久電池就沒電了的現象。（下圖為Triton的工作原理）

第三，水溶氧的變化。一般情況下，深水區比淺水區的水溶氧要少很多，這是因為空氣中的氧氣之所以會進入水中，與氣壓有關，在氣壓的影響下，水中的氧氣經由水面向水下滲透。但是，氣壓是不變的，但是水越深，水壓越大，這就造成了空氣中的氧氣滲透到一定深度後就很難繼續滲入了。

而上面的測試資料是在淺水中（4.6米）測得的，越往深處走的話，水溶氧越少，此時也需要多次呼吸才能滿足人的正常需要。這必然也會讓電池的續航時間大打折扣。

寫在最後

雖然人造魚鰓呼吸器是發明出來了，但是它的續航卻成了問題，因為隨著運動量加大、水深的增加、水溶氧的波動，人對氧氣的需求會比在陸地上還要大的多，此時必然會大大縮短電池的壽命。因此，這個人造魚鰓呼吸器發明了快4年了，也沒有公司願意去批次生產它。

想要解決這個問題，從電池入手顯然是不太靠譜了，在筆者看來，不妨換一下思路，不要過濾水中原本就稀少的氧氣，可以直接用裝置把水電解成氧，這或許更靠譜一些。

而且還要考慮一個因素，因為不是有了氧氣人就可以在水中自由自在了，想要下潛，人還要克服逐漸增加的水壓。

水裡的溶氧濃度遠小於空氣，人是恆溫動物，基礎代謝率遠高於變溫動物魚類，耗氧量也遠高於魚類，就算進化出腮，那麼弱雞的氧交換率在水裡也無法給人提供足夠的氧氣啊，所以就連完全水生的哺乳動物海豚和鯨都沒有進化出腮，而還是保留著肺呼吸。

肺進行氣體交換靠的是佈滿肺泡的毛細血管網，所有肺泡展開的表面積60-100平方米，鰓相當於把介質換成了水，這種細胞層面的浩大工程，不是目前人類能企及的

首先，人的肺活量大，需要的氧氣是人造腮提供不了的，人會被憋死。第二，人造腮把水中氧氣提取了，水中的魚類氧氣不足也會憋死，會破壞水中的生態平衡……

很明顯不能

我們可以簡單的計算一下，水中的氧氣濃度大約是空氣的四十分之一，不考慮裝置的效率問題，也不用考慮動力能源問題。只考慮水流量問題。

我們人類的肺每分鐘大約會處理20-100升空氣，按50升計算，從中吸取氧氣，要在水裡自由呼吸，這個人工呼吸鰓需要每分鐘處理大約2000升水

如果這個呼吸鰓像潛水揹包那麼大，那麼流經鰓的水大約每分鐘就是2000升。

消防車的高空水泵大約能達到這水流量。

我覺得真有這樣的裝備，人類會變成這個樣子

魚雷，魚雷就是利用螺旋槳向後噴水推進·····

人類潛水裝備，最早就是壓縮空氣，每撥出一口氣，就排出一堆氣泡，為了延長時間，採用了氧氣和一定二氧化碳的混合氣（二氧化碳濃度是人類維持呼吸的必要引數，沒有二氧化碳就會氧氣中毒），但是時間也就是不到一小時。

後來，改進了，人類撥出的每一口氣中，還是有一定的氧氣，就這樣浪費了，現在的潛水裝置主要是，採用了一些技術手段將二氧化碳過濾掉，然後補充缺少的氧氣，這樣一罐氧氣能在水下供應更長時間，達到六七小時以上

這已經足夠人類使用了，水下工作也不會工作更長。

我們家鄉下海撈海參的工作人員俗稱猛子，用的就更簡單，就是十米多長的空氣管，船上有一臺壓縮空氣泵，將空氣吹給猛子

他們下水的深度一般不超過12米，並且不能一次性上下水，需要在四五米深度停留一小會，這項工作收入可觀，只不過太傷身體，即便是最熱的夏天，水下10米的溫度依然很冷，並且心理壓力還很大。

潛水病主要是氮氣引起的，更深的潛水，會引起氮醉現象，普通的潛水，基本上也就是四五十米深

如果想要更深，就要做到飽和潛水，即潛水員在超高壓倉內生活一個周，讓血液中的氮氣飽和，然後下水，能下潛幾百米深，並且能夠維持幾個星期的生活，當然，需要有水下工作停留倉，世界上能進行飽和潛水的國家不多。

海洋中海豚，海龜，鯨魚都是溫血動物，都是吸一口氣憋很久，例如鯨魚甚至能憋氣兩小時。

至於冷血動物，魚，不需要保持體溫，因此能量消耗少，人類做不到，人類體溫，核心體溫低於30度，就會死····

所以這種像魚一樣的呼吸鰓，技術上不可行，也沒有需求

目前不可能，短時間依靠電力的可以，人的單位時間耗氧量遠遠大於魚類的，而水中的溶解氧的量很有限，無法滿足供需要求；但是水分子中含有氧原子，可以透過分解水分子提供氧氣，這就需要外部能量，電解水的耗能很大，所以解決電力供應應該可以造出這個裝置。

其實就和缺氧環境的感受一樣，就算在陸地，你被關在電梯裡，慢慢的也會缺氧，水裡含氧量太低了，發明什麼都是空的