Фильтраторы встречаются повсюду в животном мире: от крошечных ракообразных и некоторых видов кораллов и криля до различных моллюсков, ракушек и даже огромных гигантских акул и усатых китов. Теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что один фильтр-питатель научился просеивать пищу способами, которые могут улучшить конструкцию промышленных фильтров для воды.
В газета появится на этой неделе в Труды Национальной академии наукКоманда описывает механизм фильтрационного питания скатов мобула — семейства водных скатов, включающего два вида мант и семь дьявольских скатов. Скаты Мобула питаются, плавая с открытым ртом в богатых планктоном районах океана и фильтруя частицы планктона в пищевод, когда вода течет им в рот и выходит через жабры.
Дно рта ската-мобулы с обеих сторон покрыто параллельными гребнеобразными структурами, называемыми пластинами, которые перекачивают воду в жабры ската. Команда Массачусетского технологического института показала, что размеры этих пластин могут позволить поступающему планктону отскакивать через пластины и дальше в полость ската, а не выходить через жабры. Более того, жабры ската поглощают кислород из вытекающей воды, помогая скату одновременно дышать во время кормления.
«Мы показываем, что луч мобулы развил геометрию этих пластин до идеального размера, чтобы сбалансировать питание и дыхание», — говорит автор исследования Анетт «Пеко» Хосой, профессор машиностроения Паппалардо в Массачусетском технологическом институте.
Инженеры изготовили простой фильтр для воды, смоделированный по образцу функций фильтрации планктона ската мобула. Они изучили, как вода текла через фильтр, когда он был оснащен пластинчатыми конструкциями, напечатанными на 3D-принтере. Команда взяла результаты этих экспериментов и разработала проект, который, по их словам, дизайнеры могут использовать для оптимизации промышленных фильтров поперечного потока, которые по конфигурации во многом аналогичны конфигурации Mobula Ray.
«Мы хотим расширить пространство проектирования традиционной поперечно-точной фильтрации с помощью новых знаний о скатах манта», — говорит ведущий автор и постдок Массачусетского технологического института Синьюй Мао, доктор философии '24. «Люди могут выбрать режим параметров луча Мобулы, чтобы потенциально улучшить общую производительность фильтра».
Хосой и Мао стали соавторами нового исследования вместе с Ирмгард Бишофбергер, доцентом кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.
Лучший компромисс
Новое исследование стало результатом внимания группы к фильтрации в разгар пандемии Covid, когда исследователи разрабатывали маски для лица для фильтрации вируса. С тех пор Мао переключил внимание на изучение фильтрации на животных и на то, как определенные механизмы фильтрации могут улучшить фильтры, используемые в промышленности, например, на водоочистных станциях.
Мао заметил, что любой промышленный фильтр должен обеспечивать баланс между проницаемостью (насколько легко жидкость может проходить через фильтр) и селективностью (насколько успешно фильтр удерживает частицы заданного размера). Например, мембрана, усеянная большими отверстиями, может быть очень проницаемой, а это означает, что через нее можно прокачать много воды, используя очень мало энергии. Однако большие отверстия мембраны пропускают множество частиц, что делает ее селективность очень низкой. Аналогично, мембрана с гораздо меньшими порами будет более селективной, но при этом потребует больше энергии для прокачки воды через меньшие отверстия.
«Мы спросили себя, как нам добиться большего, используя этот компромисс между проницаемостью и селективностью?» — говорит Хосой.
Изучая животных, питающихся фильтрами, Мао обнаружил, что скат мобула достиг идеального баланса между проницаемостью и избирательностью: скат обладает высокой проницаемостью, поскольку он может пропускать воду в рот и выходить через жабры достаточно быстро, чтобы захватывать кислород. дышать. В то же время он очень избирательен, фильтруя и питаясь планктоном, а не позволяя частицам вытекать через жабры.
Исследователи поняли, что характеристики фильтрации лучей во многом аналогичны характеристикам промышленных фильтров поперечного потока. Эти фильтры сконструированы таким образом, что жидкость течет через проницаемую мембрану, пропускающую большую часть жидкости, в то время как любые загрязняющие частицы продолжают проходить через мембрану и в конечном итоге попадают в резервуар для отходов.
Команда задалась вопросом, может ли луч Мобула вдохновить на усовершенствование конструкции промышленных фильтров поперечного потока. Для этого они более глубоко погрузились в динамику фильтрации лучей мобулы.
Ключ вихря
В рамках своего нового исследования команда изготовила простой фильтр, вдохновленный лучом мобулы. Конструкция фильтра представляет собой то, что инженеры называют «дырявым каналом» — по сути, труба с отверстиями по бокам. В данном случае «канал» команды состоит из двух плоских прозрачных акриловых пластин, склеенных по краям, с небольшим отверстием между пластинами, через которое можно перекачивать жидкость. В один конец канала исследователи вставили напечатанные на 3D-принтере структуры, напоминающие рифленые пластины, которые проходят вдоль дна рта ската-мобулы.
Затем команда прокачивала воду через канал с различной скоростью вместе с цветным красителем, чтобы визуализировать поток. Они сделали снимки канала и наблюдали интересный переход: при низкой скорости откачки поток был «очень спокойным», и жидкость легко просачивалась через канавки в печатных пластинах и вытекала в резервуар. Когда исследователи увеличили скорость откачки, более быстрая жидкость не проскальзывала, а, казалось, завихрялась в устье каждой канавки, создавая вихрь, похожий на небольшой узелок волос между кончиками зубцов расчески.
«Этот вихрь не блокирует воду, но блокирует частицы», — объясняет Хосой. «В то время как при более медленном потоке частицы проходят через фильтр вместе с водой, при более высоких скоростях потока частицы пытаются пройти через фильтр, но блокируются этим вихрем и вместо этого сбрасываются в канал. Вихрь полезен, потому что он предотвращает вытекание частиц».
Команда предположила, что вихри являются ключом к фильтрационной способности лучей мобулы. Скат способен плыть с такой скоростью, чтобы вода, попадая в его рот, могла образовывать вихри между рифлеными пластинами. Эти вихри эффективно блокируют любые частицы планктона — даже те, которые меньше пространства между плитами. Частицы затем отскакивают от пластин и направляются дальше в полость луча, в то время как остальная вода все еще может течь между пластинами и выходить через жабры.
Исследователи использовали результаты своих экспериментов, а также размеры фильтрующих элементов лучей мобулы, чтобы разработать схему фильтрации с поперечным потоком.
«Мы предоставили практическое руководство о том, как на самом деле фильтровать луч Мобулы», — предлагает Мао.
«Вы хотите спроектировать фильтр так, чтобы он находился в режиме генерации вихрей», — говорит Хосой. «Наши рекомендации говорят вам: если вы хотите, чтобы ваша установка перекачивала воду с определенной скоростью, тогда ваш фильтр должен иметь определенный диаметр пор и расстояние между ними, чтобы генерировать вихри, которые будут отфильтровывать частицы такого размера. Mobula Ray дает нам действительно хорошее практическое правило рационального проектирования».
Эта работа частично поддерживалась Национальными институтами здравоохранения США и Фондом стипендий Харви П. Гринспена.
