Om den globala uppvärmningen orsakar katastrofala översvämningar som översvämmar de flesta av världens kuststadsområden i slutet av århundradet, hur ska vi då klara av det? Biomimicry-designern och materialforskaren Jun Kamei vid Royal College of Arts svar är Amphibio – ett slags lättviktig 3D-printad väst gjord av en polymer som fungerar både som en konstgjord gäl och en andningsreservoar som kommer att göra det möjligt för människor att umgås i de översvämmade megastäderna.
Amphibio har utformats i samarbete med RCA-IIS Tokyo Design Lab och är Kameis lösning på en beräknad framtid år 2100 när den globala uppvärmningen har smält isarna och stigande hav har påverkat 30 procent av världens befolkning. Den intuitiva reaktionen på en sådan katastrof skulle kunna vara att flytta inåt landet, men Kamei anser att en bättre idé skulle vara att anta en halvt vattenlevande livsstil med hjälp av något som Amphibios konstgjorda gälar.
Amphibio, som fortfarande befinner sig på konceptstadiet, är en biomimetisk konstgjord gäl som är baserad på dykande spindlar och insekter som har en superhydrofob hudyta som gör det möjligt för dem att samla en luftbubbla runt sina kroppar. Dessa bubblor fungerar som gälar som släpper in syre löst i det omgivande vattnet och släpper ut koldioxid.
Amphibio använder samma. principen med ett särskilt och ospecificerat poröst hydrofobt material som lämpar sig för 3D-utskrift för att skapa en slags kammformad väst bestående av en serie luftblåsor som matas in i en mask som täcker näsa och mun. Kamei beskriver Amphibio som ett mellanting mellan fridykning och dykning som gör det möjligt för dykare att stanna längre under vattnet med lättare utrustning.
Hos Kamei har hittills genomfört laboratorietester med en testblåsa fylld med koldioxid och upphängd i en tank för att demonstrera dess förmåga att absorbera syre. Han medger dock att konstruktionen fortfarande har en lång väg att gå, och nämner det faktum att ytan är för liten och måste vara minst 32 m² (344 ft²) för att samla in tillräckligt med syre för en person.
Tyvärr erkänner Kamei den tekniska sidan av Amphibio, men tekniken är långt ifrån genomförbar, och än mindre praktisk. Idén om en konstgjord gäl har varit mainstream sedan undervattenspionjären kapten Jacques Cousteau 1962 förklarade att framtiden för havsutforskningen var att skapa ”människofiskar” som kan andas vatten. Problemet är att det finns en mycket stor klyfta mellan idé och verklighet.
Sedan de första experimenten gjordes med hjälp av halvgenomsläppliga plastmembran för att extrahera syre ur vatten, blev hindren för att göra idén praktisk snabbt större. Till en början såg tekniken ut som en vinnare när forskarna placerade hamstrar i membranlådor nedsänkta i akvarier, men det är mycket svårare att tillverka något som gör det som fiskens gälar gör.
Om du tittar på en lista över havslevande djur kommer du att märka att inget av havsdäggdjuren har gälar. Det finns ett antal orsaker till detta, men en av de största är att däggdjur har en mycket hög ämnesomsättning som kräver en hel del syre för att kunna upprätthållas. Om du tar en liter (34 oz) luft innehåller den 200 ml (6,76 oz) syre. Men om du har vatten, blir det bara 5 till 10 ml syre per liter. Det är okej för kallblodiga fiskar, men en konstgjord gäl som bärs av en person måste bearbeta 10 till 20 gånger mer vatten i volym än luft, eller 100 liter (26,5 gal) per minut med 100 procent effektivitet för att hålla dykaren vid liv.
Det innebär att ett antal saker krävs. För det första innebär det en mycket stor yta som kan jämföras med de 50 till 75 m² (540 till 810 ft²) som människans lungor har, och det innebär också ett stort vattenflöde. Det är därför som tidiga konstruktioner av konstgjorda gälar hade kraftigt korrugerade membran som stoppades in i stora ryggsäckar med batterier, lufttankar för påfyllning och massiva pumphjul för att trycka vatten genom anordningen.
Det är inte här problemen slutar. Om syre och koldioxid kan passera genom ett konstgjort gälmaterial kan även neutrala gaser göra det. Medan gälarna kan hämta syre från vattnet kan de inte hämta kväve, så kvävet i dykarens lungor, som utgör 78 procent, kommer snabbt att sippra ut och slangarna kommer att kollapsa och andningsmasken kommer att översvämmas av vatten. Detta skulle bli ännu värre med Amphibio eftersom det luftskikt som fångas upp av den hydrofoba ytan skulle minska och snart försvinna när kvävet diffunderar ut i det omgivande vattnet.
Det samma gäller för trycket. Konstgjorda gälar fungerar bäst på mycket grunt vatten. Om dykaren går ner mer än några meter kommer vattentrycket, återigen, att kollapsa slangarna och blåsorna och ansiktsmasken kommer att svämma över. Scuba har inte detta problem eftersom den är utformad för att automatiskt kompensera med hjälp av en regulator, som ger luft med omgivningstryck för ett visst djup.
Inget av detta ogiltigförklarar idén bakom Amphibio, men det krävs mycket mer arbete på en mycket grundläggande nivå för att göra det praktiskt genomförbart. Om den någonsin når marknaden kan det vara trevligt att dyka i någon översvämmad katedral. Även om vi skulle rekommendera en mask, simfötter, ett viktbälte och simfötter i stället för en genomskinlig klänning för tillfället.
Videon nedan visar tankprovningen av en Amphibio-blåsa.