Фильтраторы повсеместно распространены 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 фильтр эволюционировал, чтобы просеивать пищу таким образом, что это улучшает конструкцию промышленных фильтров для воды.
В статья, опубликованная на этой неделе в журнале Труды Национальной академии наукКоманда описывает механизм фильтрационного питания скатов мобула, семейства водных скатов, в которое входят 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, в то время как вода течет 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 позволяют поступающему планктону прыгать через пластины и дальше в полость луча, а не выходить через жабры. Кроме того, жабры ската поглощают кислород из текущей воды, что помогает ему дышать одновременно во время кормления.
«Мы показываем, что луч мобулы изменил геометрию этих пластин так, что они достигли идеального размера, чтобы сбалансировать питание и дыхание», — объясняет автор исследования Анетт «Пеко» Хосой, профессор машиностроения Паппалардо в Массачусетском технологическом институте.
Инженеры создали простой фильтр для воды, смоделировавший фильтрационные характеристики планктона ската мобулы. Они изучали, как вода текла через фильтр, когда он был оснащен пластинчатыми конструкциями, напечатанными на 3D-принтере. Команда взяла результаты этих экспериментов и разработала план, который, по их мнению, может быть использован дизайнерами для оптимизации промышленных фильтров поперечного потока, которые по конфигурации во многом аналогичны Mobula Ray.
«Мы хотим расширить пространство проектирования традиционной поперечной фильтрации новыми знаниями о скатах манта», — говорит ведущий автор и научный сотрудник Массачусетского технологического института Синьюй Мао, доктор философии '24. «Люди могут выбрать режим настроек для Mobula Ray, 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 сосредоточился на изучении фильтрации на животных и на том, 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 (легкостью, с которой жидкость может проходить через фильтр) и селективностью (способностью фильтра предотвращать попадание частиц заданного размера). Например, мембрана с большими отверстиями может быть очень проницаемой, а это означает, что через нее можно прокачать много воды, используя очень мало энергии. Однако большие отверстия в мембране пропускают множество частиц, что делает ее селективность очень низкой. Аналогично, мембрана с гораздо меньшими порами будет более селективной, но потребует больше энергии для прокачки воды через меньшие отверстия.
«Мы спросили себя, как добиться большего с этим компромиссом между проницаемостью и селективностью? — сказал Хосой.
Изучая животных, питающихся фильтрами, Мао обнаружил, что скат-мобула нашел идеальный баланс между проницаемостью и избирательностью: скат очень проницаем в том смысле, что может позволить воде проникать в рот и выходить через жабры достаточно быстро. для захвата кислорода. дышать. В то же время он очень избирательен, фильтруя и питаясь планктоном, а не позволяя частицам вытекать через жабры.
Исследователи поняли, что характеристики фильтрации луча во многом аналогичны характеристикам промышленных фильтров поперечного потока. Эти фильтры сконструированы таким образом, что жидкость протекает через проницаемую мембрану, которая пропускает большую часть жидкости, в то время как 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 углубились в динамику фильтрации лучей Мобулы.
Ключ вихря
В рамках своего нового исследования команда создала простой фильтр, вдохновленный лучом мобулы. Конструкция фильтра представляет собой то, что инженеры называют «дырявым каналом» — на самом деле это 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 прокачала воду через канал с разной скоростью потока 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 скользила через канавки напечатанных пластин и вытекала в резервуар. Когда исследователи увеличили скорость откачки, более быстрая жидкость не текла, а словно закручивалась в устье каждой борозды, 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 медленной скорости потока частицы проходят через фильтр вместе с водой, при более высокой скорости потока частицы пытаются пройти через фильтр, но блокируются этим вихрем и выбрасываются в канал. Вихрь полезен, потому что он предотвращает вытекание частиц.
Команда предположила, что вихри являются ключом к фильтрационной способности лучей мобулы. Скат способен плавать с идеальной скоростью, чтобы вода, попадая в его рот, могла образовывать вихри между рифлеными пластинами. Эти вихри эффективно блокируют все частицы планктона, даже те, которые меньше пространства между пластинами. Частицы затем отскакивают от пластинок 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 характеристик лучей Мобулы, чтобы разработать модель фильтрации с поперечным потоком.
«Мы предоставили практические советы о том, как на самом деле фильтровать, как это делает Mobula Ray», — предлагает Мао.
«Вы хотите спроектировать фильтр так, чтобы он находился в режиме генерации вихрей», — говорит Хосой. «Наши рекомендации говорят вам: если вы хотите, чтобы ваше предприятие перекачивало воду с определенной скоростью, тогда ваш фильтр должен иметь определенный диаметр и расстояние между порами, чтобы генерировать вихри, которые будут фильтровать частицы такого размера. Радиус мобулы дает нам очень хорошее практическое правило рационального проектирования.
Эта работа частично поддерживалась Национальными институтами здравоохранения США и Фондом стипендий Харви П. Гринспена.
