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     Lilly在四零及五零年代 以醫學研究為主要的領域，其中以人類處在極度壓力情況下的抗壓能力研究最為出色。同時他也將年輕時代玩無線電的經驗應用到後來的醫學儀器，比如腦部功能及生理監控器。

     Lilly對於人類外在的極限發展相當有興趣，五零年代末他發明了形似棺材的分離槽，將人放在一個無重力、極度陰暗、完全無聲的溫水世界裡。該項研究主要是探討人類在屏除各種外界干擾的狀況下所呈現出來的心理狀態。該項研究在當時受到位於馬里蘭州Bethesda地區的全國心理衛生研究機構的大力相助。這項計畫後來也成為了暢銷書Altered States的基本情節，還被改拍成電影。

     Lilly對於人腦的研究興趣也使得他展開對於其他哺乳類動物的腦部研究，尤其是海豚。在六零年代跟八零年代他分別展開了兩項重大的研究，致力於發展海豚智力以及人類與海豚之間的溝通管道。

        這些研究成果後來都記載他的書裡，其中以Man and Dolphin（人類與海豚）最為出名。許多人認為在環保運動中具有跨時代指標意義的海洋哺乳動物條款是明顯的受到了Lilly研究的影響。

        六零年代初期的Lilly博士接觸到了LSD的研究，並且與多位著名學者在馬里蘭的Spring Grove心理醫院共同執行放心藥的研究。這些學者包括了Sandy Unger及Stanislav Grof博士。但最後他還是把研究重心轉移到分離槽上面，在Programming and Metaprogramming in the Human Biocomputer這本書當中有詳細的記載。七零年代跟八零年代Lilly的研究都記載在自傳小說The Scientist裡頭。

        Lilly這些研究都讓人們充分的得知了意識、大腦與心理之間的複雜面向。已經七十幾歲的Lily目前依舊持續在加州Malibu從事研究工作，同時也跟Francis Jeffrey共同出版了新書John Lilly, So Far該書結合了Lilly的生活及研究的精華。