Jeśli globalne ocieplenie spowoduje katastrofalne powodzie, które do końca wieku zaleją większość nadmorskich obszarów miejskich na świecie, jak sobie z tym poradzimy? Odpowiedź projektanta biomimikry i materiałoznawcy Jun Kamei z Royal College of Art to Amphibio – rodzaj lekkiej, wydrukowanej w 3D kamizelki wykonanej z polimeru, która działa zarówno jako sztuczne skrzela, jak i zbiornik oddechowy, który pozwoli ludziom spędzać czas w zatopionych megamiastach.
Zaprojektowany we współpracy z RCA-IIS Tokyo Design Lab, Amphibio jest rozwiązaniem Kamei na przewidywaną przyszłość w 2100 roku, kiedy globalne ocieplenie stopiło pokrywy lodowe, a podnoszące się oceany dotknęły 30 procent światowej populacji. Intuicyjną reakcją na taką katastrofę mogłoby być przeniesienie się w głąb lądu, ale Kamei uważa, że lepszym pomysłem byłoby przyjęcie półwodnego stylu życia z wykorzystaniem czegoś takiego jak sztuczne skrzela Amphibio.
Jeszcze w fazie koncepcyjnej, Amphibio to biomimetyczne sztuczne skrzela, które opierają się na nurkujących pająkach i owadach, które mają superhydrofobową powierzchnię skóry, która pozwala im gromadzić pęcherzyki powietrza wokół ciała. Pęcherzyki te działają jak skrzela, które wpuszczają tlen rozpuszczony w otaczającej je wodzie i uwalniają dwutlenek węgla.
Amphibio wykorzystuje tę samą zasadę ze specjalnym i nieokreślonym porowatym materiałem hydrofobowym, który nadaje się do drukowania 3D, aby stworzyć coś w rodzaju falistej kamizelki wykonanej z serii pęcherzyków powietrza, które są doprowadzane do maski, która zakrywa nos i usta. Kamei opisuje Amphibio jako punkt pośredni pomiędzy swobodnym nurkowaniem a nurkowaniem, który pozwala nurkom pozostać pod wodą dłużej przy użyciu lżejszego sprzętu.
Do tej pory Kamei przeprowadził testy laboratoryjne z pęcherzem testowym wypełnionym dwutlenkiem węgla i zawieszonym w zbiorniku, aby zademonstrować jego zdolność do pochłaniania tlenu. Przyznaje on, że projekt ma jeszcze długą drogę do przebycia, powołując się na fakt, że powierzchnia jest zbyt mała i musi wynosić co najmniej 32 m² (344 ft²), aby zgromadzić wystarczającą ilość tlenu dla osoby.
Chociaż Kamei przyznaje, że inżynieria Amphibio jest dobra, technologia jest bardzo daleka od bycia wykonalną, a tym bardziej praktyczną. Pomysł sztucznych skrzeli jest mainstreamowy od czasu, gdy pionier podwodnego świata kapitan Jacques Cousteau oświadczył w 1962 roku, że przyszłością eksploracji mórz jest stworzenie „ryb”, które będą oddychać wodą. Problem w tym, że między ideą a rzeczywistością jest bardzo duża przepaść.
Od czasu pierwszych eksperymentów z wykorzystaniem półprzepuszczalnych plastikowych membran do pozyskiwania tlenu z wody, przeszkody na drodze do praktycznego zastosowania tego pomysłu szybko rosły. Na początku technologia wyglądała jak zwycięzca, ponieważ badacze umieścili chomiki w pudełkach z membraną zanurzonych w zbiornikach z rybami, ale zrobienie czegoś, co robi to, co robią skrzela ryb jest o wiele trudniejsze.
Jeśli spojrzysz na listę życia morskiego, zauważysz, że żaden z morskich ssaków nie ma skrzeli. Istnieje wiele powodów, ale jednym z największych jest to, że ssaki mają bardzo wysoki metabolizm, który wymaga dużo tlenu do podtrzymania. Jeśli weźmiesz litr (34 uncje) powietrza, będzie on zawierał 200 ml (6,76 uncji) tlenu. Ale jeśli masz wodę, to wychodzi tylko 5 do 10 ml (0,17 do 0,34 uncji) tlenu na litr. To jest w porządku dla ryb zimnokrwistych, ale sztuczne skrzela noszone przez człowieka muszą przetwarzać 10 do 20 razy więcej wody objętościowo niż powietrze, lub 100 litrów (26,5 gal) na minutę przy 100 procentowej wydajności, aby utrzymać nurka przy życiu.
To oznacza, że wiele rzeczy jest wymaganych. Po pierwsze, oznacza to bardzo dużą powierzchnię porównywalną z 50 do 75 m² (540 do 810 ft²) ludzkich płuc, a także oznacza to duży przepływ wody. To dlatego wczesne projekty sztucznych skrzeli zawierały mocno pofałdowane membrany upchnięte w dużych plecakach z bateriami, uzupełniającymi zbiornikami powietrza i masywnymi wirnikami do przepychania wody przez urządzenie.
Na tym problemy się nie kończą. Jeśli tlen i dwutlenek węgla mogą przenikać przez sztuczny materiał skrzeli, mogą to być również gazy neutralne. Podczas gdy skrzela mogą pobierać tlen z wody, nie mogą pobierać azotu, więc azot w płucach nurka, który stanowi 78 procent, szybko się z nich wydostanie, a węże się załamią i maska oddechowa zaleje się wodą. W przypadku Amphibio byłoby jeszcze gorzej, bo warstwa powietrza uwięziona przez hydrofobową powierzchnię zmniejszyłaby się i wkrótce zniknęłaby, bo azot uległby dyfuzji do otaczającej wody.
To samo odnosi się do ciśnienia. Sztuczne skrzela działają najlepiej w bardzo płytkiej wodzie. Jeśli nurek zejdzie więcej niż kilka stóp w dół, ciśnienie wody będzie, ponownie, załamanie węży i pęcherzy i maska twarzowa będzie zalać. Scuba nie ma tego problemu, ponieważ jest zaprojektowany do automatycznej kompensacji za pomocą regulatora, który dostarcza powietrze o ciśnieniu otoczenia dla danej głębokości.
Żadna z tych rzeczy nie unieważnia idei stojącej za Amphibio, ale wymaga ona dużo więcej pracy na bardzo podstawowym poziomie, aby uczynić ją praktyczną. Jeśli kiedykolwiek trafi na rynek, może być miło nurkować w jakiejś zalanej katedrze. Chociaż zalecalibyśmy maskę, płetwy, pas balastowy i płetwy zamiast diafannowej sukni na tę okazję.
Poniższy film pokazuje test zbiornika z pęcherzem Amphibio.