和工程師已經發現，一種液過濾器的水生射線的Mobula射線利用獨特的機制同時餵食和呼吸，這可能會徹底改變工業用水過濾器。
通過研究射線的口腔和ill結構的幾何形狀，他們為更有效的過濾系統開發了藍圖，從而平衡了滲透性與選擇性以提高性能而不增加能耗。
過濾式和工程見解
從小型甲殼類動物，珊瑚和磷蝦到較大物種像軟體動物，藤壺，bas鯊和鯨魚一樣。現在，麻省理工學院工程師發現，這些過濾器饋線之一，即Mobula Ray，已經發展出一種獨特的餵養方法，可以激發更好的工業水過濾器設計。
在最近發表的論文中國家科學院論文集，研究人員描述了Mobula Ray的過濾式進料系統，Mobula Ray是一組水生射線，其中包括兩種麥田射線和七個魔鬼射線。搶劫射線是通過張開浮游水的水張開的嘴來游泳，捕獲浮游水，當水流入嘴裡並通過ill孔流出。
在射線的嘴裡，平行的，梳狀的結構，稱為板，每一側都在沿著ill繞過ill。麻省理工學院的小組發現，這些板塊精確地間隔以使浮游物顆粒更深地彈性到射線的嘴中，而不是通過g逃脫。此外，ill從流出的水上提取氧氣，使射線同時進食和呼吸。
麻省理工學院機械工程帕帕拉多（Pappalardo）的研究作者Anette“ Peko” Hosoi說：“我們表明，Mobula射線已經演變為平衡進食和呼吸的理想大小。”
大自然設計的工程應用
工程師製造了一種以Mobula Ray的浮游物質過濾功能建模的簡單濾水器。他們研究了水時水如何流過濾濾器時如何流過3D打印的板狀結構。團隊採用了這些實驗的結果，並吸引了藍圖，他們說設計師可以用來優化工業跨流濾波器，該過濾器與Mobula Ray的配置大致相似。
首席作者兼MIT PostDoc Xinyu Mao PhD '24說：“我們希望通過新知識擴大傳統跨流過濾的設計空間。” “人們可以選擇Mobula射線的參數制度，以便他們可以改善整體過濾性能。”
Hosoi和Mao與MIT機械工程副教授Irmgard Bischofberger合著了這項新研究。
探索工業和自然中的過濾權衡取捨
在研究人員設計面罩以過濾掉的時候，這項新的研究從小組的重點放在了該小組對過濾的關注。病毒。從那時起，毛澤東已將重點轉移到研究動物的過濾以及某些過濾器餵養機制如何改善工業中使用的過濾器，例如水處理廠中。
毛觀察到，任何工業過濾器都必須在滲透性（流體可以流過過濾器）和選擇性（濾波器在保持目標尺寸的粒子上的成功程度）之間取得平衡。例如，用大孔釘有大孔的膜可能會高度滲透，這意味著可以通過很少的能量來泵送大量水。但是，膜的大孔將使許多顆粒通過，使其選擇性非常低。同樣，毛孔較小的膜將更具選擇性，但還需要更多的能量才能通過較小的開口泵送水。
“我們問自己，如何在滲透性和選擇性之間的權衡方面做得更好？” Hosoi說。
當毛澤東研究過濾器餵養動物時，他發現，儲物射線在滲透性和選擇性之間取得了理想的平衡：射線非常滲透，因為它可以使水進入其口腔並通過其ill速得足夠快地捕獲氧氣以捕獲氧氣以捕獲氧氣以呼吸。同時，它是高度選擇性的，在浮游生物上進行過濾和進食，而不是讓顆粒通過ill流出。
研究人員意識到，射線的過濾功能與工業跨流濾波器的過濾特徵大致相似。這些過濾器的設計使得流體流過可滲透的膜，該膜通過大多數流體，而任何污染顆粒繼續流過整個膜並最終流入廢物儲層。
團隊想知道Mobula Ray是否會激發設計改進工業跨流濾波器的設計。為此，他們深入研究了Mobula Ray過濾的動力。
動態過濾技術靈感來自Mobula射線
作為新研究的一部分，團隊製作了一個靈感來自Mobula Ray的簡單過濾器。過濾器的設計是工程師稱為“漏水通道”的，實際上是沿側面孔的管道。在這種情況下，團隊的“頻道”由兩個平坦的透明丙烯酸板組成，它們粘在邊緣，並在可以泵送流體的板之間略有開口。在通道的一端，研究人員插入了類似於沿Mobula Ray嘴地板的凹槽板的3D打印結構。
然後，團隊以各種速率以及彩色的染料將水泵送，以可視化流量。他們拍攝了整個通道上的圖像，並觀察到一個有趣的過渡：以緩慢的抽水速率，流動“非常寧靜”，流體很容易滑過印刷板中的凹槽，然後進入儲層。當研究人員提高抽水速度時，流動的流體不會滑落，但似乎在每個凹槽的口中旋轉，形成渦流，類似於梳子牙齒的尖端之間的一小部分頭髮。
Hosoi解釋說：“這種渦流沒有阻止水，而是阻塞顆粒。” “儘管在較慢的流動中，粒子在水中以較高的流速穿過過濾器，但顆粒試圖通過過濾器，但被該渦流阻止並被擊落，而是將其擊落。渦旋很有幫助。
該團隊推測渦流是Mobula Rays濾清液的關鍵。射線能夠以恰到好處的速度游泳，水流入其口中，可以在凹槽的板之間形成渦流。這些渦旋有效地阻斷了所有浮游物顆粒，即使是小於板之間的空間的顆粒。然後，顆粒在板上彈跳，然後進一步進入射線的腔體，而其餘的水仍然可以在板之間流動並通過ill。
研究人員使用了實驗的結果，以及Mobula射線的過濾特徵的維度來開髮用於跨流過濾的藍圖。
“我們為如何按照Mobula Ray的實際過濾提供了實用的指導，” Mao表示。
Hosoi說：“您想設計一個過濾器，以使自己處於生成渦流的策略中。” “我們的指南告訴您：如果您希望植物以一定的速度抽水，那麼您的過濾器必須具有特定的孔直徑和間距，以產生渦旋，以濾除這種尺寸的顆粒。Mobula Ray為我們提供了理性設計的非常好的經驗法則。”
參考：Xinyu Mao，Irmgard Bischofberger和Anette E. Hosoi，2024年11月25日，Xinyu Mao，Irmgard Bischofberger和Anette E. Hosoi，“滲透性 - 透氣性權衡”。國家科學院論文集。
doi：10.1073/pnas.2410018121
美國部分支持這項工作國立衛生研究院，以及哈維·格林斯潘（Harvey P. Greenspan）獎學金基金。
