(57)【要約】  水中環境において着用者に酸素を供給するために、人工エラ被服（１００）を提供する。人工エラ被服は、膜を通した空気の浸透を許容するとともに、該膜を通した水の浸透を防止するように構成される膜（１１０）を備える。膜は、空気だめを提供するように構成される。また、人工エラ被服の製造方法も提供する。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中環境において着用者に酸素を供給するための人工エラ被服であって、
膜を通した空気の浸透を許容するとともに、該膜を通した水の浸透を防止するように構成される膜を備え、
前記膜は、空気だめを提供するように構成される、
人工エラ被服。
【請求項２】
請求項１に記載の人工エラ被服において、
（ｉ）前記膜は、該膜と前記着用者との間に直接空気だめを提供するように構成され、又は、
（ｉｉ）前記膜は、該膜の複数の表面の間に空気だめを提供するように構成される、
人工エラ被服。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の人工エラ被服において、
前記膜は、前記空気だめに流体的に連通し、前記着用者の少なくとも顔の呼吸機能を覆うように構成されるマスク部を含む、
人工エラ被服。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記膜は、前記着用者の体の少なくとも一部を覆うように構成されており、任意選択で、
前記着用者の胴体の一部又は全部及び前記着用者の一以上の手足の一部又は全部の少なくとも一つを覆うように構成される、
人工エラ被服。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記膜は、可撓性材料であるか、可撓性材料を含む、
人工エラ被服。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記膜は、多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料であり、あるいは、多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料を含み、任意選択で又は好ましくは、
前記多孔質の疎水性材料は、多孔質ポリウレタン、ポリジメチルシロキサン、ポリブタジエン、ネオプレンポリプロピレン、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、及びポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一つを含み、さらに、任意選択で又は好ましくは、
前記多孔質の疎水性材料は、体積比で２０〜８０％の気孔率を有する、
人工エラ被服。
【請求項７】
請求項６に記載の人工エラ被服において、
前記多孔質の疎水性材料は、疎水性被膜を含み、任意選択で又は好ましくは、
前記疎水性被膜は、フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜を含み、さらに任意選択で、
前記フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜は、パーフルオロポリエーテル、パーフルオロアルコキシポリマー、パーフルオロエラストマー、パーフルオロスルホン酸、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、ポリプロピレン、及び／又はポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一つを含む、
人工エラ被服。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記膜又は該膜の外表面は、該外表面の表面積を増加させるための表面パターン及び／又は表面構成を含む、
人工エラ被服。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記人工エラ被服は、前記空気だめに吐き出された前記着用者の呼気から二酸化炭素を抽出し、該着用者の呼気中の未使用酸素の再呼吸を可能にするように構成されるリブリーザを備える、
人工エラ被服。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記人工エラ被服は、酸素を貯蔵するとともに、前記空気だめに酸素を供給するように構成される酸素タンクを備える、
人工エラ被服。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の人工エラ被服を製造する方法であって、
人工エラ被服を所望の形状に鋳造又は三次元印刷し、印刷された被服は空気透過性及び水不透過性であって、任意選択で、
前記三次元印刷は、前記所望の被服形状への繊維の三次元印刷、粉末ベースの三次元印刷、及び液体又はペーストベースの三次元印刷の一つ以上を含む、
方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記印刷した被服に一以上の空気透過性領域及び水不透過性領域を形成することをさらに含み、任意選択で、
前記印刷した被服に複数の細孔を形成することをさらに含む、
方法。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載の方法において、
前記繊維は、疎水性材料と親水性材料との複合繊維を含み、
前記方法は、前記印刷した被服を水で洗浄し、該印刷した被服から前記親水性材料を取り除くことをさらに含む、
方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
前記疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであるか、疎水性エラストマーポリマーを含み、任意選択で又は好ましくは、
前記疎水性エラストマーポリマーは、ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリプロピレン、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、及びポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一つを含み、
前記親水性材料は、親水性粒子であるか、親水性粒子を含み、任意選択で又は好ましくは、
前記親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含む、
方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、
前記疎水性エラストマーポリマーは前記ポリウレタンを含み、
前記親水性粒子は、前記ポリビニルアルコールを含み、
前記複合繊維における前記ポリビニルアルコールに対する前記ポリウレタンの重量比は、２０：８０〜８０：２０であり、任意選択で、３０：７０〜７０：３０であり、さらに任意選択で、４０：６０〜６０：４０である、
方法。
【請求項１６】
請求項１１から請求項１５のいずれか一項に記載の方法において、
前記印刷した被服を疎水性被膜又は超疎水性被膜でコーティングすることをさらに含み、任意選択で、
前記印刷した被服をフルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜でコーティングすることをさらに含む、
方法。
【請求項１７】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の人工エラ被服において、
前記ガス透過性防水膜は、疎水性材料及び親水性材料の混合物を含む前駆体組成物から形成される、
人工エラ被服。
【請求項１８】
請求項１７に記載の人工エラ被服において、
前記疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであるか、疎水性エラストマーポリマーを含み、任意選択で又は好ましくは、
前記疎水性エラストマーポリマーは、ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリプロピレン、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、及びポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一つを含み、
前記親水性材料は、親水性粒子であるか、親水性粒子を含み、任意選択で又は好ましくは、
前記親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含む、
人工エラ被服。
【請求項１９】
請求項１８に記載の人工エラ被服において、
前記疎水性エラストマーポリマーは、熱可塑性ポリウレタンを含み、
前記親水性粒子は、ポリビニルアルコールを含み、
前記混合物におけるポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比は、２０：８０〜８０：２０であり、任意選択で、３０：７０〜７０：３０であり、さらに任意選択で、４０：６０〜６０：４０である、
人工エラ被服。
【請求項２０】
請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の方法において、
疎水性材料及び親水性材料の混合物を製造し、
疎水性材料及び親水性材料の前記混合物から膜を形成し、
前記膜を水で洗浄し、該膜から前記親水性材料を取り除くことにより該膜に細孔を形成する、ことにより前記ガス透過性防水膜を製造すること、を含む、
方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
疎水性特性を付与するために前記膜の表面を処理することをさらに含み、任意選択で、
前記膜の表面を処理することは、
前記膜の表面を疎水性被膜でコーティングすることであって、任意選択で、前記膜の表面をフルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜でコーティングすること、又は、
前記膜の表面上の材料と一以上の物質とを反応させることにより、前記膜の表面の界面化学を変化させること、のいずれかを含む、
方法。
【請求項２２】
請求項２０又は請求項２１に記載の方法において、
前記疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであるか、疎水性エラストマーポリマーを含み、任意選択で又は好ましくは、
前記疎水性エラストマーポリマーは、ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリプロピレン、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、及びポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一つを含み、
前記親水性材料は、親水性粒子であるか、親水性粒子を含み、任意選択で又は好ましくは、
前記親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含む、
方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、
前記疎水性エラストマーポリマーは、ポリウレタンを含み、
前記親水性粒子は、ポリビニルアルコールを含み、
前記混合物におけるポリビニルアルコールに対するポリウレタンの重量比は、２０：８０〜８０：２０であり、任意選択で、３０：７０〜７０：３０であり、さらに任意選択で、４０：６０〜６０：４０である、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工エラ被服、人工エラ被服の製造方法、ガス透過性防水膜を作製するための前駆体組成物、及びガス透過性防水膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の活動により引き起こされる環境変化には、海面上昇や沿岸都市における部分的又は全体的な洪水が含まれる。また、増加する世界人口に対応するために、土地に建物を建てるスペースは減少の一途をたどっている。多くの国や都市は、水面又は水中における水生生物の環境を開発することにより、（また、海洋環境をより一般的に利用するためにも、）このような潜在的に劇的な変化に備えている。
【０００３】
例えば、オランダは、水上に建設された都市の実験を行っている（「オランダ人建築家が住宅の未来をオフショアする（A Dutch Architect Offshores the Future of Housing）」、www.nytimes.com参照）。リゾートビーチには、水陸両用のホテルが建てられている（「水中ホテルの部屋がザンジバルのコストを開放する（Underwater hotel room opens off the cost of Zanzibar）」、www.dezeen.com参照）。日本企業の清水建設は、今世紀中に、東京湾と赤道帯に水上都市を建設することを目標としている（「植物のような都市の植物学的未来都市（The Botanical Future City Concept of a Plant-like City）」、www.shimz.co.jp参照）。
【０００４】
このような潜在的に水没し得る都市部では、周辺の水を活用可能である。水深およそ１０ｍ以下では、人間が消費のために採取するのに十分な酸素があり、人間が見ることを可能にするのに十分な光の透過性があり、水圧は、人間が繰り返し潜水するのに耐えられる。
【０００５】
水生昆虫の中には、水中環境で呼吸するように進化したものもいる。これは、多孔質の超疎水性層又はその表面を利用する複数の昆虫により達成され得る。表面が水没すると、超疎水性表面が空気保持器として機能するように、昆虫の体上には薄い空気層（すなわち、ガスエラ）が形成される。また、薄い空気層は、周囲の水とのガス交換インタフェースとしても機能する。薄い空気層内の酸素が枯渇すると、薄い空気層と周囲の水の間の酸素濃度差を補償するために、周囲の水に溶け込んだ酸素が超疎水性層を通過して薄い空気層に流れ得る。同様に、昆虫が吐き出した二酸化炭素が薄い空気層内に過剰に留まると、過剰な二酸化炭素は、超疎水性層を通過して周囲の水に溶け込み、薄い空気層と周囲の水との間の二酸化炭素濃度差を中和させ得る。ガス交換のこのメカニズムは、プラストロン呼吸として知られる。
【０００６】
また、薄い空気層内の窒素は、薄い空気層から超疎水性層を通って拡散し、周囲の水に溶け込み得る。しかしながら、水に溶存する窒素は非常に少なく、薄い空気層から周囲の水への窒素の移動によって引き起こされる分圧不足は、超疎水性層を通して周囲の水から薄い空気層への酸素の移動が増加することにより補償される。図１は、このことを詳細に示す（「潜水昆虫と蜘蛛の物理的エラ：理論と実験（Physical gills in diving insects and spiders： theory and experiment）」、R.S. Seymour及びP.G.D. Matthews著、実験生物学ジャーナル（Journal of Experimental Biology）、２０１３年  ２１６、１６４〜１７０頁）。有効な境界層は、昆虫が拡散のみにより必要なガス交換を達成するために必要な厚さＬ及び表面積Ａを有する停滞した（すなわち、流れていない）水の仮想的な層を示す。水力境界層は、超疎水性層の周りの水の流速の分布を示す。この流速は、薄い空気層の外表面からの距離が減少するにつれて減少する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、水中環境において着用者に酸素を供給するための人工エラ被服が提供される。人工エラ被服は、膜を通した空気の浸透を許容するとともに、膜を通した水の浸透を防止するように構成される膜を備える。その膜は、空気だめを提供するように構成されてもよい。
【０００８】
膜は、膜と着用者との間に直接、例えば、着用者の肌上の単層に空気だめを提供するように構成されてもよい。あるいは、膜は、該膜の複数の表面の間に空気だめを提供するように構成されてもよい。例えば、膜は、複数の層又はその表面の間に空気だめを提供し、あるいは、封入してもよい。膜は、使用時に、空気用の密閉容器又は貯蔵器を効果的に提供してもよい。
【０００９】
ユーザが呼吸するために、水を浸透させることなく、空気の浸透を許容するように構成される膜を有する人工エラ被服内に空気だめを設けることにより、人工エラ被服は、長時間又は無期限に、着用者が水中で呼吸することを可能にし得る。人工エラ被服の膜を通した空気の浸透により、周囲の水に溶け込んだ酸素ガスが膜を透過して、着用者が呼吸するための酸素を供給することを可能にしてもよい。同時に、膜により、吐き出された二酸化炭素が膜を透過して周囲の水に溶け込むことを可能にしてもよい。このようにして、人工エラ被服内において最適な呼吸環境を維持することが可能となり得る。
【００１０】
したがって、人工エラ被服により、着用者は、スキューバダイビングや深海ダイビングに通常必要な重くてかさばる機器を必要とすることなく、フリーダイビング（すなわち、ダイバーが呼吸を止めて機器なしで行うダイビング）中に通常達成可能であるよりも長く水中に入ることを可能にし得る。また、着用者は、酸素呼吸に必要な重い追加の機器なしで、呼吸管を介してシュノーケリングマスクに水が流れてしまうというリスクなく、シュノーケリング中に通常達成可能な深さ以上に深い深さで泳ぐことを可能にし得る。
【００１１】
膜は、空気だめに流体的に連通し、着用者の少なくとも顔の呼吸機能を覆うように構成されるマスク部を備えてもよい。マスク部は、着用者の顔にフィットし、あるいはシールするように形成される凹み又はシェルであってもよく、あるいは、それを含み得る。シールは、公知のシュノーケリング／ダイビング用マスクシール（ゴムやシリコーンなどの可撓性材料）と同様であってもよい。膜は、マスク部に取り付けられていてもよく、取り付け可能であってもよい。膜は、着用者の体の少なくとも一部、例えば、着用者の胴体の一部又は全部、あるいは着用者の一以上の胴体以外の箇所（手足）の一部又は全部の上に配置されるか、あるいは、それらを覆うように構成されてもよい。人工エラ被服の表面積は、着用者の呼吸要求に応じて変更されてもよい。また、人工エラ被服は、例えば、長袖又は半袖、又は脚部を有する被服に対する着用者の個人的な好みに応じて変更されてもよい。
【００１２】
マスク部は、プラスチック又はポリマー材料、例えば、アクリルニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、又は任意の他の適当な水中マスク材料から形成すればよく、あるいは、それらを含んでもよい。マスク部は、全体的に又は部分的に、剛性、半剛性、あるいは可撓であればよい。マスク部は、着用者が使用するときに液密シールを形成するために、その縁の周りに可撓性材料又はシーリング材料を含んでもよい。
【００１３】
膜は、可撓性材料から形成されてもよく、あるいはそれを含んでもよい。可撓性材料は、水中と陸上の両方において、着用者の制約されない自然な動きを可能にし得る。したがって、着用者が短時間に複数回のダイビングを行い得る状況において、着用者の快適さを改善し得る。
【００１４】
膜は、多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料であってもよく、それを含んでもよい。多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料は、多孔質熱可塑性ポリウレタン、ポリジメチルシロキサン、ポリブタジエン、ポリエステル、ネオプレンもしくは他の重合材料、又はプラスチックの少なくとも一つを含めばよい。多孔質疎水性材料は、体積比で２０〜８０％の気孔率（多孔度）を有していてもよい。
【００１５】
ポリジメチルシロキサンは、引き裂きに対する耐性が高いため、深海ダイビング用被服のための有用な膜材料であり得る。
【００１６】
多孔質熱可塑性ポリウレタンは、体積比で、２０〜８０％の気孔率を有していればよい。例えば、気孔率が高いほど、ガス交換率が高くなり、水圧が低いために膜を通して水が浸透する可能性が低い浅瀬において、人工エラ被服を利用することができる。容易に制御可能な気孔率を有する材料を含む被服は、広範囲の水中用途のために広範囲の異なる気孔率を有する異なる被服を製造することを可能にし得る。
【００１７】
疎水性材料は、着用者が例えば陸上で乾燥した状態を維持することを可能にし得る。一実施形態では、人工エラ被服が防水性の膜を含むので、人工エラ被服内に囲まれた着用者の体の一部は、水中でも乾燥したままでいることができ得る。また、疎水性材料が人工エラ被服の表面上の水をはじくので、人工エラ被服は、着用者が陸上にいるときに乾燥したままでいることができる。多くの典型的なフリーダイビング又はスキューバダイビングの被服とは対照的に、水分保持による人工エラ被服の重量の増加は打ち消される。したがって、着用者が短時間に複数回のダイビングを行い得る状況において、（すなわち、従来のダイビング機材あるいはウェットスーツなどの被服と比較して）着用者の快適さを改善し得る。
【００１８】
多孔質疎水性材料は、疎水性被膜を含んでもよい。疎水性被膜は、フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜を含んでもよい。フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜は、パーフルオロポリエーテル、パーフルオロアルコキシポリマー、パーフルオロエラストマー、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、ポリハロゲン化炭化水素ポリマー、ポリプロピレン、あるいは、ポリテトラフルオロエチレンであってもよく、及び／又は、それらを含んでもよい。
【００１９】
膜又は膜の外表面は、外表面の表面積を増加するための表面パターン及び／又は表面形状、又は構成を含んでもよい。人工エラ被服の表面積を増加することにより、膜を通して酸素及び二酸化炭素のより効果的な浸透を可能にし得る。したがって、着用者が水中で適切に呼吸することができるように、十分な速度で十分な量の新鮮な酸素を提供し（および十分な量の吐き出された二酸化炭素を取り除く）ことにより、着用者の呼吸要求をより効率的に満たすことができる。
【００２０】
表面積の増加は、外表面において、一以上の起伏、折り目、ポケット、ひだ、プリーツなどにより提供されてもよい。膜の材料又は膜の外表面の材料は、特定の潜水深度に対応する特定の水圧に耐えるように選択されてもよい。
【００２１】
人工エラ被服は、リブリーザを含んでもよい。リブリーザは、空気だめに吐き出された着用者の息から二酸化炭素を抽出する（取り出す）ように構成されてよい。リブリーザは、着用者が呼気（吐き出した息）中の未使用酸素の再呼吸を可能にするように構成されてよい。人工エラ被服の表面積が、着用者が追加の酸素供給なしに呼吸するのに十分な酸素を提供するのに十分な大きさではない場合、あるいは、空間内の酸素が例えば長いダイビングで使い果たされた場合には、リブリーザは、人工エラ被服が着用者の呼吸要求を満たすことを可能にするために使用されてもよい。
【００２２】
人工エラ被服は、酸素を貯蔵するとともに、空気だめに酸素を供給するように構成される酸素タンクを含んでもよい。人工エラ被服の表面積が、着用者が追加の酸素供給なしに呼吸するのに十分な酸素を提供するのに十分な大きさではない場合には、人工エラ被服が着用者の呼吸を満たすことを可能にするために、酸素タンクが用いられてもよい。人工エラ被服は、着用者が呼吸するのに必要な酸素の割合（例えば、１０％〜１００％）を供給すればよく、酸素タンクは、必要に応じて、人工エラ被服のガス透過性特性に応じて残存酸素（例えば、９０％〜０％）を供給してもよい。このように、酸素タンクは、スキューバダイビングや深海ダイビングに通常使用される酸素タンクよりも小さな容量を有していてもよい。
【００２３】
本発明の第２の態様によれば、膜及び／又は人工エラ被服の製造方法が提供される。その製造方法は、第１の態様の膜及び／又は人工エラ被服を製造するために用いられてよい。この方法は、人工エラ被服を所望の被服形状に三次元印刷することを含んでもよい。印刷した被服は、空気透過性及び水不透過性（防水性）である。三次元印刷は、付加製造（３Ｄプリント）技術を利用すればよい。この方法は、所望の被服形状への繊維の三次元印刷、粉末ベースの三次元印刷、及び／又は液体又はペーストベースの三次元印刷を含んでもよい。あるいは、人工エラ被服を鋳造してもよい。この方法は、本発明の第１の態様による人工エラ被服を製造するために用いられてもよい。
【００２４】
人工エラ被服の三次元印刷は、他の製造方法を用いて製造するのがより困難又は不可能であり得る複雑な形状を設計し、製造することを可能にしてもよい。特に、三次元印刷は、外表面の表面積を増加させるために、複雑な形状の外表面を有する被服を製造することを可能にし得る。また、三次元印刷を用いて、ワンピースの被服を製造してもよい。ワンピースの被服は、水中でマルチピースの被服の接合位置において、人工エラ被服と着用者の間の空間に水が侵入するリスクを低減又は排除することができる。
【００２５】
この方法は、印刷した被服に一以上の空気透過性領域及び水不透過性領域を形成することを含んでもよい。例えば、三次元印刷を用いて細孔を生成することにより、一以上の空気透過性領域及び水不透過性領域を形成してもよい。
【００２６】
繊維は、疎水性材料及び親水性材料の複合繊維を含んでもよい。疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであってもよく、それを含んでもよい。親水性材料は、親水性粒子を含んでもよい。疎水性エラストマーポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリエステル、及び／又は、あらゆる他の重合プラスチック又は材料の少なくとも一つを含んでよい。親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含んでよい。この方法は、印刷した被服を水で洗浄し、印刷した被服から親水性材料を取り除くステップをさらに含んでもよい。
【００２７】
疎水性材料及び親水性材料の複合物を含む繊維を三次元印刷に利用することにより、繊維の組成を変えることで、印刷した被服の気孔率を容易かつ繊細に制御することができる。したがって、異なる水中用途に適した幅広い被服を製造することができる。材料の展性は、防水「容器（コンテナ）」タイプの被服を製造することを有利に提供する。
【００２８】
繊維は、熱可塑性ポリウレタン及びポリビニルアルコールの複合繊維であってもよく、それを含んでもよい。複合繊維におけるポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比は、２０：８０〜８０：２０であってもよい。複合繊維におけるポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比は、３０：７０〜７０：３０であってもよく、さらに、４０：６０〜６０：４０であってもよい。
【００２９】
この方法は、疎水性被膜又は超疎水性被膜で印刷した被服をコーティングするステップをさらに含んでもよい。この方法は、フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜で印刷した被服をコーティングするステップをさらに含んでもよい。フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜は、パーフルオロポリエーテル、パーフルオロアルコキシポリマー、パーフルオロエラストマー、ポリテトラフルオロエチレン、あるいはパーフルオロスルホン酸のいずれか一つ以上であればよく、それらを含んでもよい。
【００３０】
疎水性被膜は、着用者が例えば陸上で乾燥した状態を保つことを可能にし得る。人工エラ被服が防水性の膜を含むので、人工エラ被服内に包まれている着用者の体の一部は、水中でも乾燥した状態を保ち得る。また、疎水性被膜が人工エラ被服の表面上の水をはじくので、人工エラ被服は、着用者が陸上にいるときも乾燥したままでいることができ得る。多くの典型的なフリーダイビング又はスキューバダイビング用の被服とは対照的に、水分保持による人工エラ被服の重量増加は打ち消され得る。したがって、着用者が短時間に複数回のダイビングを行い得る状況において、着用者の快適さを改善し得る。
【００３１】
本発明の第３の態様によれば、ガス透過性防水膜を作製するための前駆体組成物が提供され得る。前駆体組成物は、疎水性材料及び親水性材料の混合物を含む。前駆体組成物は、本発明の第１の態様の人工エラ被服を作製するために用いられてもよく、本発明の第２の態様の方法で用いられてもよい。疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであってもよく、それを含んでもよい。
【００３２】
親水性材料は、親水性粒子であってもよく、それを含んでもよい。疎水性エラストマーポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリエステル、及び／又は任意の他の重合プラスチック又は材料の少なくとも一つを含んでもよい。親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含んでもよい。混合物は、ポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比が２０：８０〜８０：２０となるように、熱可塑性ポリウレタン及びポリビニルアルコールを含んでもよい。混合物におけるポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比は、３０：７０〜７０：３０であってもよく、さらに、４０：６０〜６０：４０であってもよい。
【００３３】
本発明の第４の態様によれば、本発明の第３の態様にかかる前駆体組成物を用いて作製されたガス透過性防水膜が提供される。ガス透過性防水膜は、第１の態様にかかるガス透過性防水膜であってもよい。
【００３４】
本発明の第５の態様によれば、ガス透過性防水膜の製造方法が提供される。ガス透過性防水膜は、第１の態様又は第４の態様にかかるガス透過性防水膜であってもよい。その製造方法は、疎水性材料及び親水性材料の混合物を作製することを含む。その製造方法は、疎水性材料及び親水性材料の混合物から膜を形成することをさらに含む。また、その製造方法は、膜を水中で洗浄して膜から親水性材料を取り除ことにより、膜内に細孔を作製することを含む。その製造方法は、本発明の第１の態様にかかる人工エラ被服を作製するのに用いられてもよい。
【００３５】
この製造方法は、膜の表面を処理して、該膜の表面に疎水性特性を付与することをさらに含んでもよい。
【００３６】
膜の表面を処理するステップは、膜の表面を疎水性被膜でコーティングすることを含んでもよい。疎水性被膜は、フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜を含んでもよい。その代わりに、膜の表面を処理するステップは、膜の表面上の材料と一以上の物質とを反応させることにより、膜の表面の界面化学を変化させることを含んでもよい。
【００３７】
疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであってもよく、それを含んでもよい。親水性材料は、親水性粒子であってもよく、それを含んでもよい。疎水性エラストマーポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、ポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン、ネオプレン、ポリエステル、及び／又は任意の他の重合プラスチック又は材料の少なくとも一つであってもよく、それらを含んでもよい。親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つであってもよく、それらを含んでもよい。混合物は、ポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比が２０：８０〜８０：２０であるように、熱可塑性ポリウレタン及びポリビニルアルコールを含んでもよい。混合物におけるポリビニルアルコールに対する熱可塑性ポリウレタンの重量比は、３０：７０〜７０：３０であってもよく、さらに、４０：６０〜６０：４０であってもよい。
【００３８】
第６の態様では、第５の態様のいずれかの方法により製造されるガス透過性防水膜を含む被服を提供する。
【００３９】
第７の態様では、第５の態様のいずれかの方法により製造されるガス透過性防水膜を含む建物又は構造を提供する。
【００４０】
本発明の第１、第２、第４、第５、第６、及び第７の各態様では、細孔サイズは、全方向でおよそ２５０マイクロメートル以下であればよく、任意に、全方向でおよそ１００マイクロメートル以下であればよい。このような細孔サイズは、膜の疎水性特性又は超疎水性特性により提供されるガス透過性と防水性のバランスを取るのに最適である。膜の気孔率は、２０％〜８０％であればよく、任意に、３０％〜７０％であればよく、さらに任意に、４０％〜６０％であればよい。膜の気孔率は、特定の用途に適合するように調整することができる。例えば、浅瀬でのダイビングでは水圧が低くなるので、膜は、膜を通したガス透過性を提供するために、より高い気孔率を有してもよい。
【００４１】
本発明の別個の態様及び／又は実施形態に照らして説明する特徴は、一緒に用いられてもよく、あるいは、可能な限り交換可能であってもよい。同様に、簡潔のために、単一の実施形態又は態様に照らして特徴を説明するが、これらは、別個に、あるいは、あらゆる適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。人工エラ被服あるいは膜に関連して説明する特徴は、方法に関して規定可能な対応する特徴を有してもよく、その逆もまた同様であり、これらの実施形態を具体的に想定する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
以下の添付図面を参照して、一例として本発明を説明する。
【図１】図１は、水生昆虫におけるプラストロン呼吸の概略を示す。
【図２−１】図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、それぞれ、一実施形態における人工エラ被服の正面図、側面図、及び背面図を示す。
【図２−２】図２Ｄ、図２Ｅ、及び図２Ｆは、それぞれ、別の実施形態における人工エラ被服の正面図、側面図、及び背面図を示す。
【図３】図３は、本開示による人工エラ被服を通した酸素ガス交換及び二酸化炭素ガス交換の概略を示す。
【図４】図４は、本開示による人工エラ被服の表面構成を示す。
【図５】図５Ａ〜図５Ｅは、本開示による多孔質超疎水性膜のガス交換特性を調査するための実験装置の種々の構成要素を示す。
【図６】図６は、図５の実験装置を用いて実施する実験における時間の関数としての酸素濃度のプロットを示す。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、本開示による多孔質膜の光学顕微鏡写真を示す。
【図８】図８は、図７Ａ及び図７Ｂに示す多孔質膜上で実施された図５の実験装置を用いて行う実験における時間の関数としての酸素濃度のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の別個の態様及び実施形態に照らして説明する特徴は、一緒に用いられてもよく、あるいは、可能な限り交換可能であればよい。同様に、簡潔のために、単一の実施形態に照らして特徴を説明するが、これらは、別個に、あるいは、あらゆる適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。人工エラ被服に関連して説明する特徴は、組成物の製造方法に関して規定可能な対応する特徴を有してもよく、これらの実施形態は具体的に想定される。
【００４４】
図２Ａ〜２Ｆは、本発明の一実施形態における人工エラ被服１００を示す。人工エラ被服１００は、着用者に着用されるように設計されており、水中呼吸をサポートし、水中と水の外の両方において快適な被服を提供するように構成される。例えば、人工エラ被服１００は、特に、日常生活の一部として、浅瀬でのダイビングを頻繁に行う個人に適し得る。人工エラ被服１００は、ダイビング後に必ずしも脱ぐ必要はなく、水中と同様に陸上でも着用可能である。
【００４５】
人工エラ被服１００は、マスク部１０５と、膜又は本体部１１０とを備える。マスク部１０５は、着用者の顔の呼吸機能（すなわち、口及び／又は鼻）を覆うように構成される。本体部１１０は、少なくとも着用者の胴体を覆うように構成される。いくつかの例では、本体部１１０は、着用者の胴体及び一以上の手足（すなわち、腕あるいは足）を覆うように構成されてもよい。他の例では、本体部１１０は、着用者の胴体及び手足よりも着用者の体の小さな割合、例えば、着用者の肩及び上部胴体を覆うように構成されてもよい。他の例では、人工エラ被服１００は、着用者の頭部全体を覆うように構成されてもよく、及び／又は、本体部１１０を含まなくてもよい。
【００４６】
一実施形態では、人口エラ被服１００は、水の侵入の一以上の潜在的なポイントにおいて着用者の周りに確実にフィットすることを保障するように製造されてよい。例えば、人工エラ被服１００は、被服の任意の腕の長さに応じて、着用者の顔の周り、及び任意選択で、着用者の肩、肘、手首、又はいずれかの腕の他の点の周りに確実にフィットすることを保障するように製造されてよい。同様に、人口エラ被服１００は、被服の任意の脚の長さに応じて、着用者の腰、太もも、ふくらはぎ、足首、又は脚の他の点の周りに確実にフィットすることを保障するように製造されてよい。人工エラ被服１００は、例えば、着用者の顔又は頭の周りにマスクを装着し、あるいは、密封することにより、着用者の首及び顔の周りに確実にフィットすることを保障するように製造されてよい。人工エラ被服１００は、着用者が人工エラ被服１００を着用するとき、そのような水の侵入の潜在的なポイントにおいて、着用者が自分自身の上に人工エラ被服１００を引き伸ばさなければならないように人工エラ被服１００の関連部分を製造することにより、水の侵入の潜在的なポイントにおいて着用者の周りに確実に装着（フィット）するように構成されてよい。人工エラ被服１００のそのようなポイントにおける人工エラ被服１００の弾性変形により、着用者が人工エラ被服１００を着用することを可能にし得、人工エラ被服１００のその後の弾性応答により、人工エラ被服１００は、水の侵入の潜在的なポイントにおいて着用者の体の周りで収縮し、これにより、人工エラ被服１００が着用者の周りに密閉（シール）を形成するのを保障し得る。
【００４７】
あるいは、人工エラ被服１００は、着用者が人工エラ被服１００を着用可能にするための穴が形成された水の侵入の潜在的なポイントにおいて、水の侵入を防止するように構成されたシールを備えてもよい。
【００４８】
図２Ａ〜図２Ｃに示す一実施形態では、マスク部１０５と本体部１１０はともに、人工エラ被服１００と着用者の間に空間を形成するように構成される。人工エラ被服１００と着用者との間に閉じ込められた空気は、着用者と人工エラ被服１００の間の内部空間内で循環し、これにより、水中で人工エラ被服１００を着用している間、着用者は息を吸うことができる。本実施形態では、人工エラ被服１００は、膜を通した空気の浸透を許容するが、膜を通した水の浸透を防止するように構成される単層膜を備える。
【００４９】
図２Ｄ〜図２Ｆに示す異なる実施形態では、層１１０、１１０’又は本体部１１０の表面の間に、空気だめ１１１が設けられる。例えば、空気だめ１１１は、二重層膜内又は（例えば、それ自体の上で膜１１０を囲んだり、折りたたんだりすることにより形成される）エンベロープ１１０内に形成されればよい。図２Ｄ〜図２Ｆは、点線１１０、１１０’により本実施形態の空気だめ１１１を示す。
【００５０】
いずれの実施形態においても、人工エラ被服１００は、着用者が水中で人工エラ被服１００を着用している間、着用者が呼吸するための新鮮な酸素の供給を補充するように構成される。着用者の呼吸の結果として、人工エラ被服１００と着用者の間又は人工エラ被服１００の層間の空間内の酸素濃度の枯渇は、空気だめ１１１内の空気と周囲の水との間の酸素濃度差を引き起こす。この濃度差は、周囲の水に溶け込んだ酸素ガスを強制的に膜を通して透過させ、人工エラ被服１００と着用者の間又は人工エラ被服１００の層間の空気だめ１１１に入り込ませる駆動力として作用する。同様に、着用者の呼吸の結果として、空気だめ１１１内の二酸化炭素濃度の増加は、空気だめ１１１内の空気と周囲の水の間の二酸化炭素濃度差を引き起こす。この濃度差は、空気だめ１１１内の二酸化炭素を強制的に膜を通して透過させ、周囲の水に溶け込ませる（フィックの拡散の第１法則による）駆動力として作用する。このようにして、空気だめ１１１内の空気組成は、着用者が呼吸するのに最適な組成に保たれ得る。図３は、この処理を概略的に示す。
【００５１】
着用者が水中と陸上の両方で人工エラ被服１００を着用している間、着用者が自然に動くことを可能にするために、膜１１０（又は１１０、１１０’）は、少なくとも部分的に可撓性材料であるか、可撓性材料を含む。あるいは、膜１１０（又は１１０、１１０’）は、例えば、水深が増して増加した水圧に対応するために、あるいは、荒い水中状態や海洋生物からの攻撃から着用者を保護するために、剛体材料を含んでもよい。また、剛体材料を含む被服は、例えば、軍事用途に有用であってもよい。
【００５２】
膜１１０（又は１１０、１１０’）は、多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料を含んでもよい。多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料は、膜１１０（又は１１０、１１０’）を通した空気の浸透を許容するとともに、水に対する膜１１０（又は１１０、１１０’）の不透過性を改善する。また、疎水性材料又は超疎水性材料によって水が材料内に又は材料の表面に保持されていないので、着用者は、人工エラ被服１００を着用している間、乾燥したままでいることができる。また、人工エラ被服１００が水を保持していないことは、典型的なダイビング機材に共通の課題である水中での使用後の重さの変化が人工エラ被服１００にはないことを意味する。これは、使用後に乾燥させる必要がないので、着用者が人工エラ被服１００を続けざまに複数回着用しても快適である。
【００５３】
多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料は、多孔質熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）を含んでもよい。ＴＰＵの多孔率は、体積比で２０〜８０％であればよい。
【００５４】
多孔質の疎水性材料又は超疎水性材料は、フルオロアルキルベースのポリマー被膜を含んでもよい。フルオロアルキルベースのポリマー被膜は、パーフルオロポリエーテル、パーフルオロアルコキシポリマー、パーフルオロエラストマー、ポリテトラフルオロエチレン、及びパーフルオロスルホン酸の少なくとも一つを含んでもよい。フルオロアルキルベースのポリマー被膜は、膜１１０（又は１１０、１１０’）を通した水の浸透を防止するために、疎水性特性又は超疎水性特性を提供してもよい。
【００５５】
膜１１０（又は１１０、１１０’）は、表面を有するか、表面パターン及び／又は表面形状を有する外表面、又は表面／外表面の表面積を増加するように構成される構成を含む。表面パターン又は表面形状は、（本体部１１０のみを示す）図４Ａ及び図４Ｂに示すように、人工エラ被服１００の外表面上に複数の隆起バンド（例えば、複数の半円筒形バンド）を含む起伏のある表面であってもよい。人工エラ被服１００の外表面の表面積を増加させるために、溝や隆起、もしくはくぼみなどの他の表面パターンを用いてもよい。表面パターンは、（例えば、１０００マイクロメートル未満の寸法を有する特徴を含む）微細パターンであってもよい。微細パターンは、人工エラ被服１００の表面機械加工により生成されてもよい。人工エラ被服１００の外表面の表面積が大きいほど、人工エラ被服１００と着用者との間の空間への膜を通した酸素及び二酸化炭素の浸透がより効果的になる（すなわち、より高い浸透速度になる）。これにより、人工エラ被服１００は、着用者の呼吸要求を満たすために、着用者への新鮮な酸素の供給を補充することができる（すなわち、着用者が適切に呼吸することができるほど十分な量の新鮮な酸素を供給することによって）。また、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、表面形状／表面パターンの構成は、空気だめ１１１の容積を増加させるように作用してもよい。図４Ａ及び図４Ｂに示すような半円筒形隆起バンドの場合、各隆起バンドは、空気だめ１１１内に追加の空気ポケットを提供してもよい。
【００５６】
図２Ａ〜図２Ｆに示す人工エラ被服１００は、リブリーザ１２０を含む。リブリーザ１２０は、着用者に対して、人工エラ被服１００の背面に配置されるが、人工エラ被服１００のあらゆる位置に配置されてもよい。リブリーザ１２０は、着用者の呼気から二酸化炭素を抽出し、着用者が以前に吐き出した二酸化炭素を吸い込むことなく、呼気中の未使用酸素を利用することを可能にする。流線（フローライン）１１５は、着用者の口又は鼻からリブリーザ１２０への呼気の流れる方向を示す。呼気は、人口エラ被服１００のマスク部１０５から人口エラ被服１００の前側を横切って人口エラ被服１００の本体部１１０に向かって流れてもよく、その後、人口エラ被服１００の横方向の側面の周りを流れ、後側を横切ってリブリーザ１２０に向かって流れてもよい。呼気は、満タンの空気だめ１１１全体に流れてもよい。リブリーザ１２０が呼気から二酸化炭素を抽出すると、再呼吸可能な空気は、流線１２５により示されるように、着用者の首及び肩周りの本体部１１０の背面を流れることによって、リブリーザ１２０から人工エラ被服１００のマスク部１０５に向かって流れてもよい。再呼吸可能な空気がマスク部１０５に到達すると、着用者は、再呼吸可能な空気を呼吸することができる。リブリーザ１２０は、膜１１０（又は１１０、１１０’）と協働し、呼吸可能な空気を空気だめ１１１に供給するように構成される。
【００５７】
あるいは、呼気及び／又は再呼吸可能な空気は、空気だめ１１１内の十分に規定したいずれの流れパターンにも従わず、空気だめ１１１内でランダムに拡散してもよい。
【００５８】
その代わりに又はそれに加えて、人工エラ被服１００は、酸素タンクを含んでもよい（図示せず）。酸素タンクは、着用者の呼吸を助けるために空気だめ１１１に補助酸素を供給するように構成されてもよい。酸素タンクは、空気だめ１１１内の酸素濃度が所定の閾値を下回ったことに応じて、補助酸素を供給するように構成されてもよい。空気だめ１１１内の酸素濃度は、空気だめ１１１内に配置された酸素センサにより計測することができる。酸素タンクは、酸素を空気だめ１１１に供給する膜１１０（又は１１０、１１０’）及び／又はリブリーザ１２０と協働するように構成されればよい。
【００５９】
あるいは、人工エラ被服１００は、リブリーザ１２０又は酸素タンクを備えなくてもよい。人工エラ被服１００は、人工エラ被服１００の膜１１０（又は１１０、１１０’）を通した酸素の浸透により、十分な酸素を空気だめ１１１に供給するのに十分な大きさの表面積を有するように構成されてよい。
【００６０】
人工エラ被服１００は、種々の製造技術を用いて製造されてもよい。例えば、人工エラ被服１００は、三次元印刷（３Ｄ印刷）などの付加層製造技術を用いて製造されてもよい。付加層製造技術を用いて人工エラ被服１００を製造することにより、高い表面積を有する複雑な形状の製造が可能になり、空気だめ１１１内の効率的な空気循環を可能にすることができる。両特徴は、着用者にとって最適な呼吸条件を維持するための空気だめ１１１との効率的なガス交換（すなわち、酸素及び二酸化炭素）にとって望ましい。３Ｄ印刷可能性のおかげで、コンピュータ演算を用いて、及び／又はパラメトリック設計を用いて、所望の形状を有する人工エラ被服１００を作成することができる。あるいは、人工エラ被服１００は、鋳造技術を用いて製造されてもよい。鋳造処理のための型は、複雑な表面形状または表面パターンを付与するように設計されてもよく、人口エラ被服１００に高い表面積および空気だめ内の効率的な空気循環を与えることができる。
。
【００６１】
粉末ベースの３Ｄ印刷を用いて、人工エラ被服１００を３Ｄ印刷してもよい。液体又はペーストベースの三次元印刷を用いて、人工エラ被服１００を３Ｄ印刷してもよい。熱溶解積層法技術（すなわち、溶融フィラメント製造方法）を用いた３Ｄ印刷を介して、人工エラ被服１００は製造されてもよい。繊維は、多孔質材料又は非多孔質材料の繊維を含めばよい。繊維は、単一成分材料又は複合材料を含んでもよい。繊維は、疎水性材料又は超疎水性材料を含んでもよい。
【００６２】
繊維は、疎水性材料及び親水性材料の複合繊維を含めばよい。疎水性材料は、疎水性エラストマーポリマーであってもよく、それを含んでもよい。親水性材料は、親水性粒子であってもよく、それを含んでもよい。疎水性エラストマーポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、ポリブタジエン、及びポリジメチルシロキサンの少なくとも一つを含めばよいが、他の疎水性エラストマーポリマー材料を用いてもよい。親水性粒子は、ポリビニルアルコール、結晶塩、及びポリグリコール酸の少なくとも一つを含めばよいが、他の親水性微粒子材料を用いてもよい。繊維は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）及びポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）の複合繊維を含んでもよい。複合繊維におけるＴＰＵ：ＰＶＯＨは、重量比でおよそ２０：８０〜８０：２０であればよい。あるいは、複合繊維におけるＴＰＵ：ＰＶＯＨは、重量比でおよそ３０：７０〜７０：３０であってもよく、さらに、重量比でおよそ４０：６０〜６０：４０であってもよい。複合物ＴＰＵ及びＰＶＯＨ繊維の初期組成は、人工エラ被服１００の膜の最終的な気孔率を決定する（後述する）。複合繊維に用いられるＰＶＯＨ粒子の粒径により、ＴＰＵ及びＰＶＯＨの複合繊維を用いて生成された細孔サイズが決定される。（細孔サイズが大きいほど、透過性が高くなるので）所望の細孔サイズに応じて、複合繊維に用いられるＰＶＯＨ粒子の粒径を１〜１００マイクロメートルにするのが好ましい。複合繊維に用いられるＴＰＵ粒子の粒径は、複合繊維に用いられるＰＶＯＨ粒子の粒径と実質的に等しくてもよい。複合繊維に用いられるＴＰＵ粒子の粒径は、１〜５０マイクロメートルであってもよい。
【００６３】
そして、その繊維は、３Ｄ印刷技術を用いて人工エラ被服１００を形成するために用いられる。鋳造に対する３Ｄ印刷の利点は、（鋳造の場合のように）完全な被服を形成するために、２つ以上の別々のパーツを結合する更なる処理工程（すなわち、縫ったり、他の方法で接着したりすることを介して）を必要とせずに、ワンピースの被服をより容易に製造することができることである。被服の別々の構成要素のそのような製造後の結合は、正しく結合されていない場合には、人工エラ被服１００と着用者の間の空間への水の侵入を防止する人工エラ被服１００の能力を低下させる可能性がある。
【００６４】
また、人工エラ被服１００を鋳造するために、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に関する上述のような組成物が用いられてもよい。
【００６５】
非多孔質繊維材料又は鋳造材料の場合、人工エラ被服１００の膜１１０（又は１１０、１１０’）を通したガス透過が可能なように、多孔質の膜１１０（又は１１０、１１０’）を備える人工エラ被服１００を製造するために、洗浄又はエッチングなどの更なる処理工程が要求されてもよい。例えば、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に用いられる繊維が疎水性エラストマーポリマーと親水性粒子との複合繊維である場合、人工エラ被服１００から親水性粒子を取り除くために、蒸留水又は蒸留水とエタノールの混合物で人工エラ被服１００を洗浄してもよい。人工エラ被服１００から親水性粒子を取り除くことにより、多孔質の人工エラ被服１００が製造される。３Ｄ印刷で用いられる複合疎水性エラストマーポリマー親水性粒子繊維の組成は、人工エラ被服１００の膜の最終的な気孔率を決定する。例えば、ＴＰＵの重量比が大きい複合ＴＰＵ：ＰＶＯＨ繊維は、ＴＰＵの重量比が小さい複合ＴＰＵ：ＰＶＯＨ繊維よりも、洗浄後の最終的な気孔率は小さくなり得る。したがって、ＴＰＵとＰＶＯＨの密度が類似しているので、得られる材料の気孔率は、それぞれ体積比で８０〜２０％の範囲になる。得られる細孔サイズは、複合繊維に用いられるＰＶＯＨ粒子の粒径に依存する。そのため、１〜１００マイクロメートルの間で細孔サイズを制御することができる。洗浄後、人工エラ被服１００は周囲環境で乾燥させるために放置される。
【００６６】
いくつかの例では、人工エラ被服１００の多孔性は、３Ｄ印刷を用いた人工エラ被服１００の製造中に導入されればよい。例えば、３Ｄ印刷中に人工エラ被服１００に特徴を構築することにより、人工エラ被服１００に細孔を導入してもよい。上述のように、人工エラ被服１００の細孔サイズは、およそ１００マイクロメートル以下であってもよい。このように、３Ｄ印刷機は、全方向におよそ１００マイクロメートル以下の寸法（例えば、およそ１００マイクロメートル以下の直径）を有する細孔を構築することにより、人工エラ被服１００に多孔性を導入してもよい。いくつかの例では、３Ｄ印刷中、人工エラ被服１００の外表面に小さいスケール（例えば、マイクロメートルの長さスケール）の表面パターンを生成することにより、疎水性特性又は超疎水性特性が人工エラ被服１００に付与されてもよい。
【００６７】
水中における人工エラ被服１００の膜のガス透過性（すなわち、ガス交換比）は、膜の厚さや膜１１０（又は１１０、１１０’）の気孔率に応じて変化する。人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に用いられる複合ＴＰＵ：ＰＶＯＨ繊維の場合、ＴＰＵ：ＰＶＯＨの初期組成は、人工エラ被服１００の膜１１０（又は１１０、１１０’）の気孔率を決定する。ガス透過性は、気孔率に比例し、膜厚に反比例する。したがって、より高い気孔率を有するより薄い膜１１０（又は１１０、１１０’）は、より低い気孔率を有するより厚い膜よりも高いガス透過性を有することになる。しかしながら、より低い気孔率を有するより厚い膜は、高い水圧下において、より高い気孔率を有するより薄い膜よりもより低いガス透過性を有することになる。
【００６８】
非疎水性繊維材料又は非超疎水性繊維材料、又は鋳造材料の場合、疎水性特性又は超疎水性特性を有する人工エラ被服１００を製造するために、更なる処理ステップが要求されてもよい。超疎水性表面の疎水性を生成するために、人工エラ被服１００の界面化学を変化させることによって、人工エラ被服１００を処理してもよい。疎水性被膜又は超疎水性被膜で人工エラ被服１００をコーティングしてもよく、疎水性特性又は超疎水性特性を有する人工エラ被服１００の外表面を形成するために、印刷した被服の材料と反応する物質に人工エラ被服１００を曝してもよい。例えば、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に用いられる繊維がＴＰＵ：ＰＶＯＨの複合繊維であれば、疎水性特性又は超疎水性特性を有する人工エラ被服１００の外表面を提供するために、人工エラ被服１００をフルオロアルキルベースのポリマー被膜でコーティングしてもよい。被膜は、０．２５〜２マイクロメートルの間の厚さ、任意には、０．５〜１マイクロメートルの間の厚さを有してもよい。
【００６９】
また、人工エラ被服１００に要求される機械的特性に基づいて、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に用いられる繊維材料を選択してもよい。例えば、着用者の制限のない自然な動きを可能とすることを人工エラ被服１００に要求する場合には、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に可撓性材料を含む繊維を用いればよい。荒い水中条件や海洋生物の攻撃から着用者を保護することが人工エラ被服１００に要求される場合、あるいは、人工エラ被服１００がより深い水深での増加した水圧に耐える必要がある場合には、人工エラ被服１００の３Ｄ印刷に半剛性材料又は剛性材料を含む繊維が用いられればよい。
【００７０】
上述の方法に従って人工エラ被服１００を製造することにより、人工エラ被服１００の用途に望まれる機械的特性（すなわち、柔軟性、剛性、強度、靭性）を備えた撥水性、ガス透過性の被服の製造が可能になる。
【００７１】
人工エラ被服１００に関して上述したものと同様の方法を利用して、ガス透過性防水膜（必ずしも人工エラ被服に用いるものではない）を製造してもよい。例えば、疎水性エラストマーポリマー（例えば、ＴＰＵ）及び親水性粒子（例えば、ＰＶＯＨ）の混合物を製造することにより、ガス透過性防水膜を作製するための前駆体組成物を製造してもよい。そして、疎水性エラストマーポリマー及び親水性粒子の混合物から膜を形成してもよい。膜は、例えば、３Ｄ印刷、鋳造、又はその他の適切な製造技術により形成されてもよい。膜から親水性粒子を取り除くために、膜を蒸留水で洗浄することにより、膜内に細孔を作製してもよい。
【００７２】
また、膜の表面に疎水性特性又は超疎水性特性を付与するように、膜の表面を処理してもよい。
【００７３】
いくつかの例では、洗浄又はコーティングステップの前に、前駆体組成物から製造したパーツ（部品）を第三者に配布してもよい。このように、ガス透過性防水膜又はパーツを製造する処理は、単一の場所や単一の製造業者により製造される必要はない。
【００７４】
上述の方法で製造されたようなガス透過性防水膜は水中構造物又は建物に利用されてもよい。例えば、人工エラ被服ではなく、ガス透過性防水膜に囲まれた空間内に、水中空間を含む建物を作製してもよい。ガス透過性防水膜に囲まれた空間内で一人以上の人が呼吸することができるようにしてもよい。また、水に溶け込んだ有害ガスを濾過するために、ガス透過性防水膜が用いられてもよい。３Ｄ印刷により、複雑な形状や、別の方法では標準的なフィルタのタイプ及び／又は形状を用いてアクセスするのが困難な環境や場所で用いられる形状を有するフィルタを製造することが可能となり得る。その他の用途には、エクストリームスポーツ用の高いガス透過性を有する撥水性の衣類が含まれてもよい。
【００７５】
多孔質超疎水性材料のガス交換特性を計測するために、図５に示すような実験装置が用いられた。タンク２００内の第１の開口２０５（下から図示）を多孔質超疎水性膜２１０で覆い、多孔質超疎水性膜２１０と第１の開口２０５の縁の間に液密シールを形成した。図５Ａは、このことをより詳細に示す。多孔質超疎水性膜２１０は、タンク２００内とガスを交換可能な唯一の経路を形成した。多孔質超疎水性膜は、５ｍｍの厚さと７７％の気孔率を有するポリテトラフルオロエチレン膜であった。図５Ｂに示すように、多孔質超疎水性膜２１０上の水滴は、水が多孔質超疎水性膜２１０を通過することができないことを示す。また、タンク２００内に酸素センサ２１５を配置した。二酸化炭素ガスをタンク２００に導入するための管２２５をタンク２００内の第２の開口２２０に通し、管２２５と第２の開口２２０の縁との間に液密シールを形成した。図５Ｃは、このことを詳細に示す。
【００７６】
そして、図５Ｄ及び図５Ｅに示すように、完全に密閉したタンク２００を過酸化水素水（酸素飽和水）に完全に水没させ、テスト期間中水中に保持した。過酸化水素水への水没後、タンク２００内の酸素濃度を低下させるために、第２の開口２２０を通る管２２５を通して、密閉したタンク２００に二酸化炭素ガスを導入した。
【００７７】
タンク２００に二酸化炭素ガスを導入した後、密閉したタンク２００の酸素濃度を体積比で９％まで減少させた。過酸化水素水に１２時間水没させた後、密閉したタンク２００の酸素濃度（密閉したタンク２００内の酸素センサ２１５により計測した値）が２０．１％まで増加した。これらの結果は、人工エラ被服１００に多孔質の超疎水性材料を用いることの実行可能性を示すものである。
【００７８】
海水環境において更なる試験を実施した。環境条件は、実験室ベースの試験よりも制御が困難であった（すなわち、実験室ベースの試験は、十分に換気した部屋で十分に通気した（炭酸ガスを含ませた）水で行われた）。図５に示されているのと同じ実験装置を用いた。ただし、過酸化水素水の代わりに、海水に密閉したタンク２００を水没させた。多孔質超疎水性膜２１０を海水に完全に水没させたままにするのを確実にするために、近くの岩又はロープにタンク２００を固定した。
【００７９】
密閉したタンク２００内の酸素濃度は、１４．２２容量％まで減少し、およそ１時間の間、多孔質超疎水性膜２１０を海水に水没させたままにした。この場合、管２２５を介した２００内の空気を吸い込むことにより、タンク２００内の酸素濃度が減少した。
【００８０】
図６は、上述の海水環境における試験から得られた結果を示す。図６は、密閉タンク２００内の酸素濃度が時間の関数としてプロットされた図である。プロットの傾向は、タンク２００の酸素濃度が時間の経過とともに増加していることを示しており、実験室ベースの試験から得られた結果を裏付けるものとなった。明らかに、多孔質超疎水性膜２１０は、密閉したタンク２００と、密閉したタンク２００をとり囲む環境との間で、酸素ガス及び二酸化炭素ガスを交換可能である。
【００８１】
テストした多孔質超疎水性膜２１０の表面積は、６ｃｍ２であった。海水試験における試験期間中のタンク２００内の酸素濃度の変化は、およそ毎時０．５％であった。タンク２００は、５６５ｍＬの容量を有し、多孔質超疎水性膜２１０を通して、０．０７５ｍＬ／（時間・ｃｍ２）の酸素補充速度をもたらした。人間の平均酸素消費速度は、毎時１４４００ｍＬである。
【００８２】
上記から、人間の呼吸をサポートするために必要な表面積がおよそ１９．２ｍ２であると計算することができる。上述のような表面パターンあるいは表面形状又は構成を利用することで、そのような膜から作られた被服の表面積を増加させることができる。いくつかの被服は、必要量の表面積を有さないかもしれない。例えば、人工エラ被服は、着用者の胴体及び顔の呼吸機能のみを覆ってもよいが、人工エラ被服がユーザの一以上の手足も覆う場合に利用可能な追加の表面積を利用することができない。そのような場合には、着用者に最適な呼吸条件を提供するために、人工エラ被服を（上述のような）リブリーザあるいは酸素タンクと組み合わせて用いればよい。
【００８３】
図７は、ＴＰＵ及びＰＶＯＨの複合繊維を３Ｄ印刷することにより製造した３Ｄ印刷した部品の表面の光学顕微鏡画像を示す。図７Ａは、図７Ｂに示す光学顕微鏡写真に用いられる倍率よりも低い倍率の光学顕微鏡写真を示す。各顕微鏡写真の右下角には、スケールバーを示す。これらの画像は、蒸留水及びエタノールの混合物で３Ｄ印刷した部品を洗浄した後、該部品を疎水性被膜でコーティングする前にキャプチャされた。図７Ａの画像は、３Ｄ印刷した部品の密閉を達成するための隣接する層の良好な接着を示す。冷却後も、３Ｄ印刷した被服では、隣接する層間の破損や剥離は観察されなかった。これは、複数の層が十分に接着されていることを示す。このように、接着が不十分な層を通して水が浸透してくるのを防止し、これにより、上述のように形成した３Ｄ印刷した被服は、人工エラ被服と着用者との間の空間を封入することができる。
【００８４】
図８は、密閉タンク内の酸素濃度を時間の関数としてプロットした図を示す。図８に示す結果を得るために用いた実験装置は、多孔質超疎水性膜が（重量比で５０：５０の初期ＴＰＵ：ＰＶＯＨ組成物から初めて製造した）５０％の多孔率を有するＴＰＵの膜であることを除き、図５及び図６に関して説明した実験装置と同じであった。ＴＰＵ膜の厚さは、４００マイクロメートルであった。図８より、フルオロアルキルベースのポリマー疎水性被膜を有する多孔質ＴＰＵを含むガス透過性防水膜が人工エラ被服の材料として使用するのに適していることが分かる。
【００８５】
本開示を読むことにより、他の変形や改良も当業者にとって明らかであろう。そのような変形や改良は、ガス透過性防水膜の分野で既に公知であり、本明細書に既に記載した特徴の代わりに又はそれに加えて用いられ得る同等及び他の特徴を含み得る。
【００８６】
添付の特許請求の範囲は、複数の特徴の特定の組み合わせに向けられる。しかしながら、本発明の開示の範囲は、あらゆる新規の特徴、本明細書内で明示的又は黙示的に開示した特徴のあらゆる新規の組み合わせ、あるいは、それらの一般化、それがいずれかの請求項に現在記載されるものと同じ発明に関連するか否か、及びそれが本発明と同じ技術的課題のいずれか又はすべてを軽減するか否かも含むことを理解されたい。
【００８７】
また、別々の実施形態に照らして説明した特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよい。逆に、簡潔のために、単一の実施形態に照らして説明した種々の特徴も、別個に、あるいは、あらゆる適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。出願人は、本出願又は本出願から派生したあらゆる更なる出願の審査中、そのような特徴あるいはそのような特徴の組み合わせに対して新規の請求項を策定可能であることをここに通知する。
【００８８】
完全を期すために、用語「含む（comprising）」が他の構成要素やステップを排除せず、用語「一つの（a）」や「一つの（an）」が複数を排除せず、単一のプロセッサ又は他の部（ユニット）が特許請求の範囲に列挙したいくつかの手段の機能を実現してもよく、特許請求の範囲のあらゆる参照符号が請求項の権利範囲を制限するものとして解釈すべきではないことを言明する。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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