為什麼沒有研製出像魚鰓一樣直接從水裡面取氧的水肺？
魚的種類那麼多，魚鰓的結構看樣子也不複雜，都已經進入DNA時代了為什麼還沒有研究研製出這種直接能夠從水中換取氧氣的水肺呢？這個科研攻關的難度在哪裡？
終於在知乎上看到了一個想回答且有信心回答好的問題。從小就對這個問題感興趣，在本科階段還做過一些嚴肅的科學研究和調查。但迄今為止，世界上沒有一個組真正研發出實用化的人造鰓。
先說說人造鰓的歷史：從上世紀60年代起，明尼蘇達大學化工系的Cussler就提出了用聚二甲基硅氧烷這樣的膜材料實現從水中分離溶解氧的想法[1]。他甚至還做出了一個樣機，能供一隻小狗呼吸。但遠遠達不到供人呼吸的程度。上世紀90年代，日本的富士系統公司為了展示他們新一代的非對稱聚二甲基硅氧烷有多棒，也做過一個人造鰓，不過其體積非常大，有一個多冰箱那麼大，在演示時需要推著在水裡不斷前進來獲取足夠的氧氣，而且只維持潛水員正常呼吸了18分鐘。
20世紀以來，先後有至少兩個組對人造鰓做過嚴肅的科學研究。早稻田大學化工系的Kiyotaka Sakai組在2003到2005年發過幾篇文章[2]，大概的原理是用疏水的中空纖維膜作為人造鰓，膜外與外界水體接觸，膜內用泵驅動可富氧的液體通過，再從另一側通過加熱或光照的方式將富氧液體中的氧氣釋放出來。示意圖如下：
但是，無論怎樣優化，都無法將維持這套系統提供一個人足夠正常呼吸（僅僅是靜息時）的氧氣的能量降低到150W一下。雖然氧氣的來源理論上是解決了，但電源又成了問題。
美國凱斯西儲大學化工系的Harihara Baskaran也曾經拿到過美國海軍的經費與其他公司合作研發人造鰓，他們的思路是用微流控晶元取代中空纖維膜作為人造鰓的鰓體。這樣做的好處，是因為微流控晶元是通過光刻技術「列印」出來的，所以可以設計管道的形狀從而將效率最大化。事實上，凱斯西儲大學還試著用這一技術實現人工肺[3]：
然而，這個項目最終也不了了之。微流控晶元加工的成本要大大高於中空纖維膜，而且怎樣把這麼多微流控晶元集成起來也是問題。另外，還是需要一個泵來驅動水流過這些微通道。
然而，這個項目最終也不了了之。微流控晶元加工的成本要大大高於中空纖維膜，而且怎樣把這麼多微流控晶元集成起來也是問題。另外，還是需要一個泵來驅動水流過這些微通道。
歷史就先講到這。下面來分析一下為什麼人造鰓的實現如此困難，甚至比登月難度還要大：
首先要科普一下有關人造鰓的理論基礎。這裡面涉及的最重要的原理，就是氧氣的傳遞過程。化工里將所有物質的傳輸都歸結為「傳質」。在人造鰓里，可以簡單地認為有三個「串聯」的傳質過程：
1. 氧氣在從水的本體中傳輸到水-膜界面
2. 氧氣從膜的一側傳輸到另一側
3. 氧氣從膜的另一側界面傳遞到管道內的富氧液體（或氣體）中
在這三個過程中，最慢的一步決定了整個過程的速度。在半個世紀前，膜技術還不夠先進，最慢的一步發生在第二步，即氧氣在膜中擴散。然而，現在的膜技術已經比較先進，有的多孔疏水膜實際上膜兩側的氣液界面是直接接觸的，疏水膜起到一個阻礙水穿透的作用，並不妨礙傳質。膜另一側的富氧液體或者氣體可以選擇，所以最慢而且是很難改變的一步變成了第一步，也就是氧氣在水的本體中傳輸的過程。這個過程之所以很慢，是由水的理化性質決定的。水分子之間有很強的氫鍵，所以水是黏度非常大的液體，氧氣在水中擴散，需要從中費力地擠過去。
說到這裡，有人可能會問了，為什麼魚用鰓可以活的好好地呢？
Good question. 其實也不是所有的魚用鰓都活的很舒服。有一種魚，得不停地通過遊動來維持氧氣供應——鯊魚。因為鯊魚沒有魚鰾。而魚鰾的存在，是為了讓魚可以經常浮在水面上喘口氣。這也說明，光靠魚鰓，那魚必須不停地遊動。
於是又回到了剛才說的氧氣在水裡的輸運過程。雖然氧氣在水中自由擴散的速度很慢，但可以通過對流的方式促進氧氣的傳質效率。鯊魚在水裡不停地遊動，就是為了「主動出擊」，在有限的時間裡讓魚鰓表面和更多含溶解氧的海水接觸對流，才能獲取足夠維持生命活動的氧氣。
然而魚類是冷血動物，冷血動物的耗氧速率要大大低於人類這樣的溫血動物。況且人的遊動並不像魚類那麼有效率。所以為了產生足夠的對流，就必須用泵驅動水從不斷流經膜的表面。這就是為什麼所有的人造鰓到最後都產生了一個不可避免的問題：泵有多費電？
如果泵的費電程度，達到了用商品化的電池驅動所能維持的時間，還不如氧氣瓶的話，這麼昂貴複雜的設計不就變得沒有意義了嗎？
然而很不幸，至少以目前的儲能技術，情況的確如此。全封閉可循環式水下呼吸器（CCR）的問世，讓人造鰓的研究雪上加霜。CCR的續航能力，據說可以輕鬆達到兩小時以上。這是因為在一般的SCUBA中，呼出的氣體直接排放進了海水裡。然而人呼出的氣體里，仍有16%的氧氣（吸入的氣體中含21%的氧氣）。CCR的原理，是用CO2吸收劑將人呼出的氣體中的CO2吸收掉，然後再補充少量氧氣，便可維持呼吸。其結果，便是CCR的續航時間，相當於一般氣瓶的四到五倍。
所以結論是，人造鰓是個看起來非常具有科學浪漫主義的想法，然而實際上，以目前電池技術和其他技術所能達到的水平，無論是可行性還是經濟性，都不如現在已有的技術。更複雜的東西不一定更優秀，這也是工程學經常遇到的事情。
參考文獻：
[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.
P.S.對魚鰾的作用，有一些人提出了不同意見，我接受，魚鰾的主要功能可能更多的是在維持浮力平衡上。關於鯊魚，需要不斷遊動的另一個原因，是部分鯊魚魚鰓構造特殊，無法將海水擠過鰓的表面。這也從另一個側面說明促進氧氣在海水裡對流的重要性。詳見據說鯊魚停止遊動就會死，是真的嗎？
P.S II: 按照上文的討論，在現有的技術背景下，用人造鰓作為潛水員的氧氣來源似乎既難以實現又沒有成本優勢。但這並不意味著人造鰓相關的研究沒有意義。正如我所說，制約人造鰓成為個人休閑潛水氧氣來源的主要因素還是在於耗電量太大，然而，對潛艇來說，電源不是問題，尤其是核潛艇。事實上，從水中分離溶解氧作為潛艇的氧氣來源的研究正在進行，詳見LikeAFish Technologies的最新動態部分。
3.1更新：今天早上突然想到，如果將用電能驅動的人造鰓與無線充電技術相結合，也許可以繞開水下能源獲取困難的問題，從而真正設計出理論上可以無限使用的人造鰓。與空氣中相比，水下無線輸電困難的多，因電磁波在水中衰減速度很快，但如果使用超聲波作為輸電手段，還是可行的。美國海軍有幾個實驗室正在進行利用水下輸電技術驅動水下機器人的試驗，詳見：US Navy Develop Underwater Wireless Charging for UUVs
以及：Deep Sea Wireless Power
3.24更新：在國外的技術網站上看到的一篇英文報道，有人宣稱自己發明了人造鰓，並以此募集資金。然而大多數專家表示這很有可能是詐騙，具體理由和上面說的差不多。詳見：People have spent more than $600K on electronic #x27;gills#x27; that experts say are science fiction
12.18更新：看了大家的評論，補充一點新的感想。人造鰓如果要想成為一種可以與現有技術競爭的技術，恐怕不走植入人體這條路線（類似於體外膜式人工心肺）是不行的。如果只是從水中分離氧氣供潛水員呼吸的話，除了分離氧氣所需的功率，還需要給氣體加壓到至少與周圍水壓平衡，跟氧氣瓶相比有點多此一舉。如果未來膜材料的生物相容性提高到可以長期植入體內而不用擔心血栓形成等一系列問題，那麼人造鰓這個想法還是有吸引力的。膜一側的血液流動是靠心臟來驅動的，所以只要用泵驅動另一側海水（或間接的，攜氧液體）流動即可，省去了給氣體加壓所需的大量能耗，電池也就不是什麼大問題了。另一方面，血液中的氮氣可以直接擴散到海水中，也避免了潛水的大敵——減壓病的發生。當然，即便技術上可行，這樣半永久性地改造人體的激進嘗試有多少市場，也是一個未知數。
補充說明一下鯊魚的問題。今天請教了一位研究鯊魚的生物學家，他說鯊魚的確有喜歡靜止不動的，除了鰓蓋的幫助，這一類鯊魚都屬冷血（可變溫），對氧氣需求較小，而不停遊動的鯊魚幾乎都屬溫血，對氧氣需求較大。這一說法也從另一個角度佐證了對流對於鰓的重要性。
原型機是有的，從水中分離氧氣也沒有什麼技術難度。
但問題在於供人類呼吸這一點。陸生脊椎動物，尤其是鳥類和哺乳動物，為了支持陸地重力和更發達的消化系統，熱量消耗非常高，一方面人類呼吸和循環效率相比於魚類高到不知道哪裡去，另一方面也依賴於大氣中極高的氧氣含量。以人類類比魚類的話，並不能只進行體重等價換算。
很多人都應該聽過金槍魚的故事，金槍魚從吃貨的角度是赤身魚，差不多是水裡最能跑的魚類了，因此需要不停的快速運動來增加鰓的交換流量。人類也是同理，水中含氧量的問題，為了滿足人類氧交換需求，這部機器需要非常高的流量來獲取足夠的氧氣。
另一方面，人類水中呼吸還是需要製備氧氣後由肺呼吸，需要達到最低氧分壓標準才不會窒息，氧利用率更是遠遠低於直接進入循環系統，同時還要提供足夠的壓力進行壓力平衡，對氧氣的需求更加暴增。
PS：人類呼吸和循環系統依賴的不是氧氣比例，而是氧分壓，空氣氧分壓是0.2bar， @I老蔡 按照壓縮空氣OCR來算而且沒考慮水壓，雖然得出的數據差不多，（實際20~30m深度壓縮空氣耗氣量是80~100L/min#@1bar，根據我的經驗250bar12L鋁瓶50bar安全氣量一般水下也就45min），但按照水鰓的設定只提取氧氣的話，這種演算法是不合適的，水鰓的工作情況更類似於OPPfixed CCR系統，氧氣供應只需要滿足0.2~0.5bar的氧分壓就夠了，而水中的氧氣含量分布在30m內跟深度關係沒那麼大，所以水流量需求沒有2000L/min那麼恐怖。
魚是冷血動物，人不是。
有人測算過，相同體重的豬和蟒蛇，豬消耗的食物是蟒蛇的100倍以上。恆溫動物99%以上的食物都用來維持體溫了。
同樣道理，人消耗的氧氣估計也是相同體重的魚的100倍以上。
造出來了又怎麼樣？你呼吸兩口氣，方圓兩百米的魚什麼都得淹死。
以上是原答案
還是正經一下吧，
氧氣瓶是幹嘛用的？潛水用的。
不知道你們能潛多深，我不負重只靠肢體動作最多潛5米，而且不能保持這個深度太久(跟憋氣時間無關，我能憋2分鐘左右，但是保持一定深度太耗體力)，因為越深給人的浮力就越大。
那麼問題來了，帶上水肺也要加負重，和背個氧氣瓶有什麼區別？
對了，死在水裡(泳池和浴缸除外)的人死因一般不是窒息。
科學已經這麼發達了...
我要是接一句"你咋不上天呢" 好像也是通順的么. 所以這根本算不上什麼"理所當然"的事.
簡單數據說明一下, 大家就知道問題所在了:
空氣含氧量約21%, 這個其實還要考慮海拔, 海拔越高, 含氧量越低, 為了簡便計算, 就當成20%(也就是每升空氣含200ml氧氣)
水的含氧量又受到溫度的影響, 一般情況下約為4~6ml/L, 就取個中值, 當它是5ml/L吧
那麼很容易就發現其中的對比關係: 空氣的含氧量約為水的40倍左右.
也就是說, 你"呼吸"水的流量必須是呼吸空氣的40倍, 才能達到相同的吸氧效果.
或者說這個"人工鰓"的水流量要相當於人在空氣中呼吸的40倍才能實用.(這裡假定人工鰓從水中獲取氧氣的能力和肺在空氣中獲取氧氣的效率相當)
成年人在平靜狀態下每分鐘呼吸的空氣體積約為: 50~80升. 為了便於計算就取50吧(蒲柳之質).
那麼同樣在一分鐘內需要經過人工鰓的水量就是: 2000升/分鐘. 就是一分鐘兩噸.
一般消防車的水炮流量約為30~60L/s, 差不多就是這個檔次.
所以, 我第一句好像真沒說錯: 這麼大排量, 真的能上天了:
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改個錯: 上文中"成年人在平靜狀態下每分鐘呼吸的空氣體積約為: 50~80升"
後來實際查了一下數據, 發現錯誤了:
成人在平靜狀態下的呼吸量約為6~8L/min,
而當處於運動狀態時才可以達到50L/min
劇烈運動時, 最高可以達到100L/min
那麼潛水的話, 50L/min這個數據應該算可以了. 雖然結論不變, 但是說明要改一下.
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可能是我寫得太過粗略了, 所以有些細節沒有展開之處就容易導致誤解和異議.
我這碼字懶人只好再補一點, (其實回復中都有說過, 但是為了避免重複發生, 索性也提上來吧)
題主問了我一個關於吸收和消耗效率的問題. 其實在這裡我是有意避開了這個討論. 其實這裡只要抓住一個重點即可: 人生活在空氣中, 不同狀態下大約呼吸多少空氣. 而不是從人體消耗氧氣再到肺吸收氧氣的效率再到空氣含氧量這麼繞一個圈子.
因為中間可能存在很多的環節和更加專業(多個專業)的東西, 我也不懂.
但是需要呼吸多少空氣這個結論卻是更加直觀和可測的.
所以, 我直接從空氣和水各自含氧量去作比較. 當然, 就像我前面說的, 這是個非常粗略的方法和結論. 但是好處在於,至少可以得出一個大致的數量概念.
那麼隨著細節的添加, 需要考慮的東西也會更多. 我不能說計算結果會更加精確, 而只能說結果數值會趨向什麼方向.
第一: 如果要考慮維持體溫. 結果會如何? 水的導熱係數比空氣大二十多倍. 人體在水裡需要消耗比在空氣中更多的能量來維持體溫. 也就意味著耗氧量更大. 所以, 加上這個細節, 會讓前面答案中的結論數字變大.
當然, 也有可能通過加熱裝置來補償一部分體溫的流失, 這就需要更多的外部能量. (鯨類潛水的時間一般不超過兩個小時, 而海龜可以輕易超過10小時, 前者恆溫, 後者冷血, 兩者皆靠憋氣)
做這麼個東西技術上不難，但要命的地方是水中溶解氧的能力和人的需求不匹配。
我始終覺得，人類沒有做不成的事情。之所以沒有做出來，不是因為技術不夠，而僅僅是因為從目前及未來很長一段時間來看，它是一件無利可圖的事情。
所有沒有市場化的事情 都是因為成本啊……
就算是發明出來了 成本也非常高的。想一下就知道，用什麼能源？怎麼轉化？如何保證續航和安全？壓縮tank大約是我能想到的成本最低能量轉化損耗最小的方式了。
因為人類肺對空氣的利用率低吧。。呼出的氣體氧氣含量依然很高，可以考慮不用肺呼吸，製造一種可以將水中氧氣直接供給血液，並且吸收血液中二氧化碳直接排出的設備這樣才叫腮（篩）。
科學這麼發達了...呃...科學尚不發達，同志仍需努力。
科學連最基本的問題比如生命從哪裡來，宇宙怎麼形成的，都沒有解釋清楚，現在的解釋只是推測和理論而已。現階段別說造個從水裡吸氧的肺，就連細胞，算了，細胞太複雜，就連細胞里的線粒體都造不出來好吧。水裡大腦發達的動物都是肺呼吸。
大腦耗氧量那麼高，上帝花了那麼多年都沒讓腮養得起大腦。
以上為信口胡謅詳情請參考哈利波特與火焰杯
因為人體不能吸收純氧。人體很脆弱，單單有水腮是不夠的。
人的大腦耗氧氣量大，人在水中生活，沒有價值，大自然進化的結果，水中生活的動物，大腦容量小。而在地面上生活了動物，腦容量大。因此人造水中呼吸器。沒有價值。
以後冰釣直接釣出來個正游冰泳的大爺大媽，你不怕？
仿生學並沒有那麼簡單，不像我們普通打個比喻一樣拿來就用。
否則除了飛機，人還可以裝兩個翅膀就飛起來了。材料、設計、成本、商業化都要具備。
未來可能會有。
更新一下，b站看到的http://www.bilibili.com/video/av2868110
還是概念，實物還沒做好。而且一開始使用時間不會很長。
事實上是已經有成品了，5米水深可以呼吸45分鐘
水中的氧氣少，不足於支持 人類正常呼吸。
在水下吸純氧……會氧中毒的……
樓主的意思應該是不藉助外部資源補給，通過物理的方法在水下呼吸？
我覺得現在科技是挺發達的，但是不夠發達，所以物理方法提取的氧氣效率低，無法支撐人類呼吸。而且，如果100%呼吸從水中提取的氧氣屬於高氧吧(H2O)，而且三分之二的其他氣體是氫氣，不知道人吸入氫氣會發生什麼（求專家）。那麼就必須在另外配置一套氣體的控制裝置，這樣一來體積肯定就比較大了。
其實現在的CCR裝備已經很好的解決的傳統氣瓶存在的問題，一下截取了一些資料：
CCR的原理其實很簡單，在呼出氣體中去掉二氧化碳，加入氧氣，循環呼吸。只要帶上一瓶氧氣，一瓶稀釋氣體（空氣或其它氧含量較低的混合氣體），就可以自行調節呼吸迴路中的氧氣含量（氧分壓）。所以教練們很愛說的一句話就是：就像自己背著個混氣站。
其實我覺得氣量並不是限制人類在水下活動的主要因素，而是中樞神經氧中毒。推薦閱讀：