Respirer sous l’eau, un rêve impossible ?

Respirer sous l’eau, un rêve impossible ?

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Par Antoine F.

Respirer sous l’eau, tel un poisson, qui n’en a pas un jour rêvé ? Au lieu de devoir retenir sa respiration, ou de transporter de lourdes bouteilles d’oxygène, il deviendrait possible d’explorer le monde sous-marin sans contraintes. Plusieurs scientifiques ont auparavant tenté d’atteindre cet objectif, qui suscite encore aujourd’hui beaucoup d’intérêt.

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Photo de Miles Hardacre provenant de Pexels

Pour mieux comprendre les avancées technologiques nécessaires et les obstacles à surmonter pour construire des ‘’branchies artificielles’’, il convient de remonter un peu le temps.

Un objectif qui n’est pas nouveau

Le 10 juillet 1984, un article du New York Times présente l’Hemosponge, un appareil expérimental inventé par Joseph & Celia Bonaventura, qui pourrait permettre aux humains de respirer sous l’eau. L’objectif des recherches, soutenues par la Navy américaine, est d’absorber l’oxygène contenu dans l’eau grâce à une mousse polyuréthane imprégné d’hémoglobine.

  • Polyuréthane : Résine obtenue par condensation de polyesters
  • Hémoglobine : Protéine contenue dans les hématies, qui donne au sang sa couleur rouge

Théoriquement, l’oxygène pourrait ensuite être séparé de l’hémoglobine avec un choc électrique, pour le stocker et le transmettre aux poumons. Si la technologie paraît prometteuse, elle souffre en revanche de nombreux défauts. L’impossibilité de produire suffisamment d’oxygène pour un être humain de manière compacte, ou la complexité d’extraire l’oxygène de l’hémoglobine une fois celui-ci absorbé ont ralenti fortement les recherches, qui se sont arrêtées à l’émission d’une série de brevets entre 1980 et 1984. Plus rien n’est disponible après 1984 sur ce sujet, ce qui témoigne de l’échec du prototype.

Les efforts scientifiques pour décrypter le fonctionnement des branchies et l’adapter à l’être humain ne s’arrêtent toutefois pas là. En 1989, les chercheurs Yang et Cussler réussissent à créer des branchies artificielles capables de garder un chien en vie sous l’eau, par l’absorption de l’oxygène qui y est contenu. Dans la conclusion de leur rapport, ils écrivent ceci :

‘’Les branchies artificielles fonctionnent, et peuvent être conçues de manière fiable. Elles peuvent garder de petits animaux en vie. Elles peuvent garder un homme immobile en vie, si l’eau est pompée rapidement à travers les branchies. En revanche, elles sont plus complexes à concevoir si l’homme doit se mouvoir dans l’eau. ‘’

S’il serait théoriquement possible de faire respirer un homme sous l’eau avec l’oxygène qu’elle contient, la quantité d’oxygène nécessaire est trop importante pour que la respiration d’un homme suffise à la pomper. Selon le rapport, nous aurions besoin de filtrer 10 litres d’eau par seconde pour rester en vie, sans bouger. Pour se passer de pompes mécaniques, il faudrait avoir des branchies avec une surface de 60m², et nager constamment à une vitesse de 20 centimètres par secondes. Autant dire que le système ne serait pas vraiment portable.

Avec ce constat, même en prenant en compte les avancées technologiques possibles en 20 ans, une entreprise annonçant en 2016 avoir créé des branchies artificielles moins volumineuses qu’un simple tuba semblait presque trop beau pour être vrai. Ça l’était.

Triton, les premières ”branchies artificielles” au monde

En mars 2016, une entreprise appelée Triton lance une campagne de crowdfunding sur la plateforme Indiegogo, afin de financer le développement d’un produit révolutionnaire sur lequel elle travaille depuis 2013.

Leur promesse ? ‘’La première technologie de branchies artificielles pour respirer et nager sous l’eau au monde ’’. L’appareil en lui-même se compose d’un module central, qui contient la batterie, le réservoir d’air comprimé et le compresseur. Il se prolonge en 2 appendices, qui sont supposés être les ‘’branchies’’, ou filtres, qui extraient l’oxygène de l’eau environnante.

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La technologie Triton

Grâce à cette idée innovante, et à une présentation sans faute, la campagne devient rapidement très populaire. En quelques jours, les fonds récoltés atteignent la somme de 900 000$. La popularité du projet attire de plus en plus l’attention. Au fur et à mesure de l’avancée de la campagne, de nombreux utilisateurs et scientifiques commencent cependant à douter de la véracité des propos de l’entreprise. Le fait qu’un entrepreneur, un responsable marketing et un designer réussissent à fabriquer une technologie qui a tenu en échec de nombreux scientifiques pendant plusieurs décennies semble louche. Des explications sur l’impossibilité d’un tel produit apparaissent en ligne, et sont de plus en plus relayées. Face à ce mécontentement croissant, Triton publie une vidéo où l’on peut voir une personne nager dans une piscine avec l’appareil, sans remonter à la surface. Si cette vidéo ne prouve rien, et est potentiellement truquée, elle rassure certains investisseurs.

L’entreprise fournit aussi plus d’explications sur le fonctionnement du produit. Malgré toute la campagne de communication sur l’extraction de l’oxygène grâce à un système de ‘’branchies’’, l’appareil fonctionnerait en réalité grâce à un cylindre d’oxygène liquide jetable, pour compenser le manque d’oxygène apporté par les ‘’branchies’’. Le principe serait donc plus proche des respirateurs Jedi de la saga Star Wars, qui sont équipés de petits cylindres de gaz respirable.

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A99 Aquata Breather (respirateur Jedi), Star Wars
Star Wars Épisode I : La Menace Fantôme, © Lucasfilm Limited

Après cette annonce, l’entreprise Triton rembourse tous les backers (personnes qui ont investi de l’argent dans le projet), et relance une autre campagne qui précise la présence de ces cylindres d’oxygène liquide. Contre toute attente, la nouvelle campagne réussit rapidement à lever plusieurs centaines de milliers de dollars. Selon Stephan Whelan, le fondateur du site de plongée DeeperBlue, les créateurs de Triton ‘’ont l’air de continuer leur arnaque […] – il n’y a aucune preuve tangible que le petit cylindre d’oxygène liquide existe tel qu’ils le décrivent’’. Après avoir récolté à nouveau une somme importante – près de 300,000$ -, un groupe d’individus et un avocat fournissent à Indiegogo des documents prouvant l’impossibilité de réaliser ce produit, même à l’aide d’oxygène liquide. Face à ces preuves, Triton se fait expulser de la plateforme, et aucun des backers n’est débité. Depuis, plus aucune nouvelle des porteurs du projet : le site et la page Facebook Triton ont été supprimées, et toutes les vidéos de la chaîne Youtube associée sont passées en privé. Un grand nombre d’informations nous incitent donc à voir ce prototype de branchies artificielles comme une arnaque bien montée .

Pour comprendre ce qui a attiré l’attention des nombreux experts qui se sont ligués contre cette soi-disant ‘’innovation’’, il faut tout d’abord comprendre comment fonctionne les branchies des animaux marins.

Comment fonctionnent les branchies ?

Chez les poissons, les branchies sont des organes situés sur les côtés de la tête, composés d’une multitudes de petits vaisseaux sanguins appelés capillaires. Quand le poisson ouvre sa bouche, l’eau passe sur les branchies, et le sang contenu dans les capillaires extrait l’oxygène présent dans l’eau pour le distribuer au sein du corps de la créature.

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Schéma de fonctionnement des branchies (en anglais)

Reproduire ce résultat artificiellement est très complexe, car l’eau a une concentration en oxygène 25 000 à 50 000 fois inférieure à l’air que nous respirons. Les branchies animales se distinguent donc par leur efficacité à extraire cet oxygène si précieux.

Selon Kevin Loria, écrivain pour Business Insider, nous faisons donc face à trois problèmes majeurs concernant la conception de branchies artificielles pouvant maintenir un humain en vie.

  • Tout d’abord, la technologie utilisée doit être très efficace pour extraire assez d’oxygène de l’eau. De plus, il faudrait ‘’traiter’’ suffisamment d’eau, ce qui nécessiterait une pompe très puissante, et difficilement miniaturisable.
  • Ensuite, l’oxygène doit être stocké dans l’appareil avant de pouvoir être aspiré. Or, cela nécessiterait un micro-compresseur extrêmement puissant, consommant beaucoup d’énergie. Rien de tel n’existe aujourd’hui.
  • Enfin, même en résolvant tous ces problèmes, il faut trouver un juste équilibre entre l’oxygène extrait de l’eau et d’autres gaz respirables, comme l’hélium, ou l’azote). En effet, l’oxygène pur devient toxique pour l’être humain à une certaine profondeur, et le plongeur peut souffrir d’arrêt cardiaque. Il est donc nécessaire de mélanger l’oxygène avant de le respirer.

Ces obstacles ne rendent pas le concept de branchies artificielles impossible, mais des recherches accrues et de nombreux progrès scientifiques sont nécessaires afin de pouvoir prétendre à sa réalisation. Cela n’empêche pas des designers et des chercheurs de se pencher sur la question dès maintenant pour explorer le champ des possibles.

Le projet Amphibio

Le projet Amphibio part d’un constat simple : d’ici 2100, une montée de température de 3,2°C est prévue à l’échelle du globe. Cela causera une montée du niveau de la mer affectant près de 30 % de la population mondiale, en submergeant les villes côtières. Face à ce sombre futur, l’objectif de développer un vêtement amphibie, pouvant fonctionner comme des branchies.

En s’inspirant des insectes plongeurs, qui utilise leur corps hydrophobe pour créer une bulle d’air autour d’eux, le designer spécialisé en biomimétisme Jun Kamei a conçu un polymère poreux et hydrophobe, qui peut être imprimé en 3D. Lorsque ce matériau hydrophobe est plongée dans l’eau, une microscopique couche d’air se forme autour de lui. Cette couche d’air fait ensuite office de branchie : en tant qu’intermédiaire entre l’eau et le matériau, elle en extrait l’oxygène, qui est stocké au sein du matériau poreux, et expulse le CO2 produit par les poumons.

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Prototype visuel du ”vêtement-branchie”, © Jun Kamei, Photo par Mikito Tateisi

Le polymère a été testé et fonctionne, ce qui rend une telle combinaison réalisable. Néanmoins, elle ne permettrait pas de maintenir un être humain en vie. Pour cela, une surface de contact avec l’eau d’au moins 32m² est requise, et le prototype atteint seulement 13m2 de surface avec l’eau. En plus de cela, la pression de l’eau pourrait endommager le matériau poreux, ce qui pourrait entraîner la noyade.

S’il reste encore beaucoup de chemin à faire, et de de nombreuses contraintes technologiques à surmonter avant de pouvoir respirer sous l’eau grâce à ces branchies, le projet est prometteur. Et s’il ne se concrétise pas avant plusieurs années, ou décennies, il aura rempli un autre objectif : sensibiliser sur la montée des eaux liée au réchauffement climatique.

Conclusion

En conclusion, concevoir des branchies adaptées à la morphologie de notre espèce semble difficilement réalisable dans un futur proche. Rivaliser avec des millions d’années d’évolution ne se fait pas en quelques décennies.

Allonger la durée des sessions de plongée peut être envisageable, mais nous ne sommes pas fait pour rester sous l’eau indéfiniment comme les poissons. Nous n’y sommes pas préparés, car notre corps n’est pas adapté au milieu sous-marin. Une immersion prolongée peut entraîner une altération des capacités cognitives et de la dextérité, et le risque d’hypothermie est constamment présent. Le véritable homme-poisson n’existera peut-être jamais vraiment, mais ces recherches sont tout de même utiles.

Apprenez de la nature, vous y trouverez votre futur Léonard de Vinci.

En effet, elles pourraient permettre de mieux comprendre les mécanismes évolutifs des animaux marins, et font partie d’un mouvement plus large qui pourrait révolutionner notre manière d’évoluer dans notre environnement, en particulier vis-à-vis de l’écologie. Le biomimétisme est une chance d’acquérir de nouvelles perspectives sur le monde qui nous entoure. Selon Léonard de Vinci, c’est en apprenant de la nature qu’on trouve notre futur. S’en inspirer pour concevoir de nouvelles technologies revient à s’appuyer sur des milliers d’années d’expérimentation naturelle. Dès lors, détruire la nature n’est pas seulement une catastrophe écologique, mais aussi une catastrophe humaine, car nous détruisons un héritage de grande valeur pour notre propre futur.


Sources :

Inventor’s Goal : Artificial Gills for People, Walter Sullivan (The New York Times, 1984)

Yang M-C. & Cussler E.L. (1989), Artificial gills, Journal of Membrane Science, 42 issue 3, 273-284

Artificial Gills To Breathe Underwater: A Million Dollar Scam ?, Sean McCoy (GearJunkie, 2016)

Triton refunds backers for its underwater breathing device, Luke Graham (CNBC, 2016)

How Do Gills Work?, Erin Spencer (Ocean Conservancy, 2020)

Here are the 3 big problems scientists must solve to make ‘artificial gills’ possible, Kevin Loria (Business Insider, 2016)

Amphibio artificial gills for a flooded future, David Szondy (New Atlas, 2018)