麻省理工学院科学家关于蝠鲼的发现有望彻底改变水过滤技术

麻省理工学院（MIT）的工程师们发现，滤食性水生蝠鲼（mobula ray）利用一种独特的机制同时进食和呼吸，这可能会彻底改变工业用水过滤器。通过研究蝠鲼嘴和鳃结构的几何形状，他们开发出了更高效过滤系统的蓝图，在渗透性和选择性之间实现了平衡，从而在不增加能耗的情况下提高了性能。

工程师们仿照蝠鲼过滤浮游生物的功能，制作了一个简单的滤水器。 图为过滤器的碎片。 图片来源：Jennifer Chu

滤食动物遍布整个动物王国，从微小的甲壳动物、珊瑚和磷虾到较大的物种，如软体动物、藤壶、姥鲨和须鲸。 现在，麻省理工学院的工程师们发现，这些滤食动物中的一种--莫布拉鳐--已经进化出了一种独特的进食方法，这种方法可以为更好的工业滤水器设计提供灵感。

在最近发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，研究人员描述了蝠鲼的滤食系统，蝠鲼是一类水生蝠鲼，包括两种蝠鲼和七种魔鬼魟。 蝠鲼张开大嘴在浮游生物丰富的水域中游动，捕捉浮游生物。

在蝠鲼的口腔内，两侧各有一个平行的梳状结构，称为"板"，将水引向鳃。 麻省理工学院的研究小组发现，这些板的间距非常精确，能使浮游生物颗粒弹到蝠鲼嘴的更深处，而不是通过鳃逃逸。 此外，鳃还能从流出的水中提取氧气，让蝠鲼在进食的同时还能呼吸。

研究报告的作者、麻省理工学院帕帕拉多机械工程教授 Anette"Peko"Hosoi 说："我们的研究表明，蝠鲼已经将这些板的几何形状进化到了能够平衡进食和呼吸的完美尺寸。"

蝠鲼吞食海水，并利用口腔中的特殊过滤器分离食物颗粒。 资料来源：薛晶

工程师们仿照蝠鲼过滤浮游生物的功能，制作了一个简单的滤水器。 他们研究了在过滤器上安装 3D 打印板状结构后，水是如何流过过滤器的。 研究小组利用这些实验结果绘制了一张蓝图，他们说设计师可以利用这张蓝图来优化工业用横流式过滤器，这种过滤器的构造与莫布拉射线的构造大致相似。

第一作者、麻省理工学院博士后Xinyu Mao博士说："我们希望利用蝠鲼的新知识拓展传统横流过滤的设计空间。人们可以选择蝠鲼的参数机制，从而有可能提高过滤器的整体性能。"

Hosoi和Mao与麻省理工学院机械工程副教授Irmgard Bischofberger共同完成了这项新研究。

蓝色液体代表实验装置中过滤板之间的流动结构。 图片来源：研究人员提供

这项新研究源于研究小组在科威德病毒大流行期间对过滤的关注，当时研究人员正在设计过滤病毒的口罩。 从那时起，Mao将研究重点转移到动物的过滤以及某些过滤进食机制如何改善水处理厂等工业领域使用的过滤器上。

Mao观察到，任何工业过滤器都必须在渗透性（流体通过过滤器的容易程度）和选择性（过滤器阻挡目标大小颗粒的成功程度）之间取得平衡。 例如，布满大孔的滤膜可能具有很高的渗透性，这意味着只需很少的能量就能抽取大量的水。 然而，膜上的大孔会让许多颗粒通过，使其选择性非常低。 同样，孔径小得多的膜会有更高的选择性，但也需要更多的能量才能将水泵过小孔。

在研究滤食性动物时，Mao发现蝠鲼在渗透性和选择性之间取得了理想的平衡： 蝠鲼的渗透性很强，它能让水快速进入口腔，再通过鳃流出，从而捕获氧气进行呼吸。 同时，它还具有高度的选择性，可以过滤浮游生物并捕食浮游生物，而不是让浮游生物颗粒通过鳃流出。

研究人员发现，这种射线的过滤功能与工业用横流式过滤器大致相似。 这些过滤器的设计原理是，流体流过一个可渗透的膜，让大部分流体通过，而任何污染颗粒则继续流过膜，最终排入废物池。

研究小组想知道，蝠鲼是否会给工业用错流过滤器的设计改进带来启发。 为此，他们深入研究了动态过滤技术。

作为新研究的一部分，研究小组受蝠鲼的启发制作了一个简单的过滤器。 这种过滤器的设计就是工程师们所说的"漏水通道"--实际上就是一个边上有孔的管道。 在这种情况下，研究团队的"通道"由两块边缘胶合在一起的扁平透明丙烯酸板组成，两块板之间有一个小开口，液体可以通过这个开口泵入。 在通道的一端，研究人员插入了三维打印的结构，这些结构类似于沿着蝠鲼嘴底部的刘海板。

然后，研究小组以不同的速度将水泵入通道，并用彩色染料将水流可视化。 他们拍摄了整个通道的图像，并观察到一个有趣的转变： 在缓慢的泵送速率下，流动"非常平缓"，流体很容易滑过印制板上的刘海，然后流到储液器中。 当研究人员提高抽速时，流速较快的液体并没有滑过，而是在每个刘海口处旋转，形成一个漩涡，类似于梳子齿尖之间的一个小发结。

Hosoi 解释说："这个漩涡不是在阻挡水，而是在阻挡颗粒。在流速较慢的情况下，颗粒会随着水流通过过滤器，而在流速较高的情况下，颗粒试图通过过滤器，但却被这个漩涡阻挡，转而被射入通道。 漩涡之所以有用，是因为它能阻止颗粒流出。"

研究小组推测，漩涡是蝠鲼具备滤食能力的关键。 蝠鲼能够以恰到好处的速度游动，使流入其口中的水在板之间形成涡流。 这些漩涡能有效地阻挡浮游生物颗粒，即使是那些小于板间空隙的浮游生物颗粒也不例外。 然后，这些微粒就会弹跳过板块，进一步进入蝠鲼的腔体，而其余的水则仍然可以在板块之间流动，并通过鳃流出。

研究人员利用他们的实验结果以及蝠鲼过滤特征的尺寸，绘制了一幅横流过滤的蓝图。

"我们为如何像蝠鲼那样进行实际过滤提供了实用指导，"Mao 说。

Hosoi说："我们需要设计一种滤波器，使其处于能产生涡流的状态。指导方针告诉我们： 如果希望设备以一定的速度抽水，那么过滤器就必须有特定的孔径和间距，以产生涡流，过滤掉这种大小的颗粒。 莫布拉射线为我们的合理设计提供了一个非常好的经验法则。"

编译自/ScitechDaily