比尔·斯通（Bill Stone）永远不会忘记他通过潜入佛罗里达北部的水下洞穴网络瓦库拉泉（Wakulla Springs）而开始创造潜水历史的那一天。1987年12月3日下午早些时候，他游到大约30英尺的深度并安顿下来，只携带了两个30立方英尺的氧气罐和一袋“血腥与暴力”战争小说。如果他使用普通的水肺潜水设备，他将在30分钟后浮出水面。但斯通，一位华盛顿特区国家标准与技术研究所的自动化工程师，当时正穿着他自制的循环呼吸器。他连续待了24小时才上来——这是有史以来任何人使用自给式呼吸装置在水下生存的最长时间。“当我离开水面并检查时，我发现我只用了一半的消耗品。那真是个大惊喜。我本可以再待24小时的，”他说。
斯通的循环呼吸器回收他呼出的空气，清除其中有毒的二氧化碳，并榨取他罐中每一滴氧气分子。他的创造力改变了人类在水下进行科学探索的能力。有了循环呼吸器，潜水员可以停留半天而无需考虑他们的空气供应，探索以前无法潜入的海底洞穴，勘测沉船，或者只是与鱼儿共度时光。
循环呼吸器的概念并不新鲜。19世纪70年代，英国商船水手亨利·弗勒斯（Henry Fleuss）开发了第一个原始的氧气循环呼吸器——一个笨重但适用于营救矿工的装置。在接下来的约一百年里，循环呼吸器的研究主要由海军工程师进行，他们可以忽略许多成本和便利性问题。斯通坚信循环呼吸器可以小巧、便宜且可靠，于1980年代中期设计了他的第一个设备，并将其命名为MK1。他最终在马萨诸塞州南兰卡斯特创立了一家公司，名为Cis-Lunar Development Laboratories，该公司开发了另外四种型号，每种都日益复杂。最新的MK-5P型号，配备了复杂的燃气和深度传感器、三个微处理器、计算机显示器，标价为17,500美元。虽然这可能看起来很贵，但一个能负担得起第二辆汽车的潜水员也能负担得起最先进的循环呼吸器。其他几十家公司也纷纷效仿。
使用循环呼吸器与水肺潜水设备一样，潜水员通过咬嘴吸气，从气瓶中吸取压缩气体。但呼出的空气会被保存下来，通过一个阀门输送到一个气球状的袋子里，然后重新回到呼吸回路中。每一次呼吸，袋子里的氧气浓度都会下降，二氧化碳浓度则会上升。循环呼吸器的主要任务是去除二氧化碳，同时补充潜水员空气供应中的氧气。苏打石灰或氢氧化锂的罐子通过清除空气中的二氧化碳来完成第一部分。在最精密的设备中，例如MK-5P，电子控制装置负责第二部分，自动感应氧气含量并根据需要注入更多的气体。
这个过程远没有听起来那么万无一失。“迟早，你的洗涤罐会耗尽，你将开始吸入高浓度、可能危险的二氧化碳，”位于佛罗里达州巴拿马城的美国海军实验潜水部队科学主任约翰·克拉克（John Clarke）说。如果二氧化碳浓度达到约10%，吸入的空气就会致命，无论存在多少氧气。“目前，我们无法让潜水员知道这种情况正在发生。使用循环呼吸器，你可能会在不知情的情况下死去，”克拉克说。潜水员必须依靠经过仔细计算的表格，这些表格能让他们知道如果一切运作完美，他们的洗涤器应该能持续多久。
正在研究的一种解决方案是利用传感器测量二氧化碳水平，该传感器通过检测二氧化碳分子在空气中振动时发出的独特红外辐射频率。工程师们还在开发能够监测呼出空气中 pH 值（酸度）变化的薄膜。溶解的二氧化碳会使空气变得更酸，因此 pH 值突然下降意味着二氧化碳水平正在飙升。“这些薄膜可以直接贴在身体上，测量二氧化碳的摄入量，”位于德克萨斯州理查森的 Cochran Undersea Technology 公司项目经理 Martin Heerschap 说，该公司生产一种电子全封闭循环呼吸器。
其他进步可能会让机器更智能地响应佩戴者的需求。例如，随着深度的增加，回气囊——容纳呼出气体的柔性袋——上的压力也会增加，这使得潜水员呼气越来越困难。克拉克和他的同事们已经为一种类似于医院呼吸机的设备申请了专利，该设备可以减轻回气囊的负担，使呼吸保持自由轻松。更进一步，克拉克和海军巴拿马城海岸系统站的工程师约翰·米特曼（John Mittleman）设想将微型机器放置在循环呼吸器上、潜水员的皮肤上，甚至潜水员的身体内部。这些微型设备可以收集氧气和二氧化碳水平的精确数据，并发出任何故障信号。“那可能是他的警告，让他做些不同的事情——也许呼吸更用力，或者上升到更浅的水域，”克拉克说。
在更远的未来，工程师们正在研究直接从水中提取氧气的装置，就像鱼一样，这样潜水员可能永远不会耗尽呼吸。日本工程师最近发现了一种有效的方法，利用光将水中的氢分子和氧分子分离。Heerschap 说，循环呼吸器未来某一天可能会整合这项技术的一个版本：“如果这样，循环呼吸器就可以缩小到小背包的大小，只剩下洗涤材料和传感器，而不需要氧气罐。”
循环呼吸器技术的进步将不仅造福深海探险家。登山者每次呼气也会浪费大量氧气。新科技可以大幅减少登山者需要拖上山的30磅氧气瓶的数量，更不用说他们留下的垃圾量了。“那些攀登珠穆朗玛峰的可怜人应该使用循环呼吸器，”Cis-Lunar公司总裁理查德·诺德斯特罗姆（Richard Nordstrom）说。“他们可以从500个氧气瓶减少到10个。”同样，循环呼吸器可以减轻消防员、搜救队和危险品工作人员的负担。“消防员可以在现有氧气瓶三分之一大小的氧气瓶上，生存时间延长100到200倍，”诺德斯特罗姆说。
循环呼吸器可能是征服外太空的关键。在真空中维持生命的挑战与在水下300英尺生存的挑战大同小异。事实上，航天飞机的舱外活动服本质上就是一个极其华丽的改进型循环呼吸器，但以NASA一贯的风格，它的造价高达数千万美元，并且在轨道上无法修复。斯通预测，十年后，商业太空探险家将穿上价格大幅降低的宇航服，这些宇航服包含来自商业循环呼吸器的现成可更换部件。这些宇航服将拥有柔性外骨骼和低内部压力，赋予未来的宇航员今天潜水员的灵巧性。斯通说，当那一天到来时，“宇航服将只是轨道设备供应目录中的另一件装备。”
理查德·诺德斯特罗姆/CIS-LUNAR
名字说明一切：“循环呼吸器网站”www.nwdesigns.com/rebreathers，提供词汇表、制造商索引、常见问题列表以及有关该技术的文章。Cis-Lunar的网站（www.cis-lunar.com）详细描述了其创新产品。
