MIT inżynierowie odkryli, że promień mobula, rodzaj promienia wodnego zasilanego filtrem, wykorzystuje unikalny mechanizm jednoczesnego odżywiania się i oddychania, co może zrewolucjonizować przemysłowe filtry wody.
Badając geometrię struktur pyska i skrzeli płaszczki, opracowano plan bardziej wydajnych systemów filtracji, równoważąc przepuszczalność z selektywnością, aby poprawić wydajność bez zwiększania zużycia energii.
Zasilanie filtrów i spostrzeżenia inżynieryjne
Filtratory można znaleźć w całym królestwie zwierząt, od małych skorupiaków, koralowców i kryla po większe gatunek jak mięczaki, pąkle, żarłacze olbrzymie i wieloryby fiszbinowe. Teraz inżynierowie z MIT odkryli, że jeden z tych podajników filtrów, promień mobula, opracował unikalną metodę zasilania, która może zainspirować do tworzenia lepszych projektów przemysłowych filtrów wody.
W niedawnym artykule opublikowanym w Postępowanie Narodowej Akademii Naukbadacze opisują system odżywiania się promienia mobula, grupy płaszczek wodnych, w skład której wchodzą dwa gatunki mant i siedem gatunków diabelskich płaszczek. Promienie Mobula żywią się, pływając z szeroko otwartymi ustami w wodach bogatych w plankton i wychwytując plankton, gdy woda wpływa do ich pysków i wypływa przez skrzela.
Wewnątrz pyska płaszczki równoległe, przypominające grzebień struktury, zwane płytkami, układają się po obu stronach, kierując wodę w stronę skrzeli. Zespół z MIT odkrył, że płytki te są rozmieszczone w precyzyjnych odstępach, co powoduje, że cząsteczki planktonu odbijają się głębiej do pyska płaszczki, zamiast uciekać przez skrzela. Dodatkowo skrzela pobierają tlen z wypływającej wody, dzięki czemu płaszczka może jednocześnie żerować i oddychać.
„Pokazujemy, że promień mobula wyewoluował geometrię tych płytek do idealnego rozmiaru, aby zrównoważyć odżywianie i oddychanie” – mówi autorka badania Anette „Peko” Hosoi, profesor inżynierii mechanicznej Pappalardo w MIT.
Zastosowania inżynieryjne z projektu natury
Inżynierowie stworzyli prosty filtr do wody wzorowany na właściwościach filtrujących plankton promienia mobula. Badali, jak woda przepływa przez filtr wyposażony w wydrukowane w 3D struktury przypominające płytki. Zespół zebrał wyniki tych eksperymentów i sporządził plan, który, jak twierdzą, projektanci mogą wykorzystać do optymalizacji przemysłowych filtrów z przepływem krzyżowym, które są zasadniczo podobne w konfiguracji do promieni mobula.
„Chcemy poszerzyć przestrzeń projektową tradycyjnej filtracji z przepływem krzyżowym o nową wiedzę zdobytą na temat mant” – mówi główny autor i doktorant MIT Xinyu Mao PhD ’24. „Ludzie mogą wybrać reżim parametrów promienia mobula, aby potencjalnie poprawić ogólną wydajność filtra”.
Hosoi i Mao są współautorami nowego badania wraz z Irmgardem Bischofbergerem, profesorem inżynierii mechanicznej w MIT.
Odkrywanie kompromisów w zakresie filtracji w przemyśle i przyrodzie
Nowe badanie powstało w wyniku skupienia się grupy na filtracji w szczytowym okresie pandemii Covid-19, kiedy naukowcy projektowali maski na twarz, które miały odfiltrować szkodliwe substancje. wirus. Od tego czasu Mao skupił się na badaniu filtracji u zwierząt i tym, jak pewne mechanizmy zasilania filtrów mogą ulepszyć filtry stosowane w przemyśle, na przykład w stacjach uzdatniania wody.
Mao zaobserwował, że każdy filtr przemysłowy musi zapewniać równowagę między przepuszczalnością (jak łatwo płyn może przepływać przez filtr) a selektywnością (jak skutecznie filtr zatrzymuje cząstki o docelowej wielkości). Na przykład membrana usiana dużymi otworami może być wysoce przepuszczalna, co oznacza, że można przez nią przepompować dużo wody przy użyciu bardzo małej ilości energii. Jednakże duże otwory w membranie przepuszczają wiele cząstek, co powoduje bardzo niską selektywność. Podobnie membrana o znacznie mniejszych porach byłaby bardziej selektywna, ale wymagałaby również więcej energii do przepompowania wody przez mniejsze otwory.
„Zadaliśmy sobie pytanie, jak możemy lepiej wykorzystać kompromis między przepuszczalnością a selektywnością?” – mówi Hosoi.
Kiedy Mao przyglądał się zwierzętom żywiącym się filtrem, odkrył, że promień mobula osiągnął idealną równowagę między przepuszczalnością a selektywnością: promień jest wysoce przepuszczalny, ponieważ może wpuszczać wodę do pyska i na zewnątrz przez skrzela na tyle szybko, aby wychwycić tlen oddychać. Jednocześnie jest wysoce selektywny, filtruje i żeruje na planktonie, zamiast przepuszczać cząsteczki przez skrzela.
Naukowcy zdali sobie sprawę, że właściwości filtrujące promienia są zasadniczo podobne do właściwości przemysłowych filtrów z przepływem krzyżowym. Filtry te są zaprojektowane w taki sposób, że płyn przepływa przez przepuszczalną membranę, która przepuszcza większość płynu, podczas gdy wszelkie cząstki zanieczyszczające nadal przepływają przez membranę i ostatecznie trafiają do zbiornika odpadów.
Zespół zastanawiał się, czy promień mobula może zainspirować do ulepszeń konstrukcyjnych przemysłowych filtrów z przepływem krzyżowym. W tym celu głębiej zagłębili się w dynamikę filtracji promieni mobula.
Techniki filtracji dynamicznej inspirowane promieniami Mobula
W ramach nowego badania zespół stworzył prosty filtr inspirowany promieniem mobula. Konstrukcja filtra inżynierowie nazywają „nieszczelnym kanałem”, czyli w rzeczywistości rurą z otworami po bokach. W tym przypadku „kanał” zespołu składa się z dwóch płaskich, przezroczystych płyt akrylowych, sklejonych ze sobą na krawędziach, z niewielkim otworem pomiędzy płytami, przez który można pompować płyn. Na jednym końcu kanału badacze umieścili wydrukowane w 3D struktury przypominające rowkowane płytki biegnące wzdłuż dna ujścia promienia mobula.
Następnie zespół przepompował wodę przez kanał z różną szybkością wraz z kolorowym barwnikiem, aby zwizualizować przepływ. Zrobili zdjęcia w poprzek kanału i zaobserwowali interesującą zmianę: przy małych prędkościach pompowania przepływ był „bardzo spokojny”, a płyn z łatwością przedostał się przez rowki w drukowanych płytkach do zbiornika. Kiedy badacze zwiększyli prędkość pompowania, szybciej płynący płyn nie przedostał się przez nie, ale zdawał się wirować u wylotu każdego rowka, tworząc wir przypominający mały węzeł włosów pomiędzy końcami zębów grzebienia.
„Ten wir nie blokuje wody, ale blokuje cząsteczki” – wyjaśnia Hosoi. „Podczas gdy przy wolniejszym przepływie cząstki przechodzą przez filtr wraz z wodą, przy większym natężeniu przepływu cząstki próbują przedostać się przez filtr, ale są blokowane przez wir i zamiast tego są wyrzucane do kanału. Wir jest pomocny, ponieważ zapobiega wypływaniu cząstek.”
Zespół przypuszczał, że wiry są kluczem do zdolności promieni mobula do zasilania filtrów. Płaszcz potrafi pływać z taką prędkością, że woda wpadająca do jego pyska może tworzyć wiry pomiędzy rowkowanymi płytkami. Wiry te skutecznie blokują wszelkie cząsteczki planktonu – nawet te, które są mniejsze niż przestrzeń między płytami. Cząstki następnie odbijają się od płytek i kierują dalej do wnęki promienia, podczas gdy reszta wody może nadal przepływać między płytami i na zewnątrz przez skrzela.
Naukowcy wykorzystali wyniki swoich eksperymentów wraz z wymiarami właściwości filtrujących promieni mobula do opracowania planu filtracji z przepływem krzyżowym.
„Dostarczyliśmy praktyczne wskazówki, jak faktycznie filtrować tak, jak robi to promień mobula” – oferuje Mao.
„Chcesz zaprojektować filtr tak, aby znajdować się w trybie, w którym generowane są wiry” – mówi Hosoi. „Nasze wytyczne mówią: jeśli chcesz, aby Twoja instalacja pompowała z określoną szybkością, Twój filtr musi mieć określoną średnicę porów i odstępy, aby wytworzyć wiry, które będą odfiltrowywać cząstki tej wielkości. Promień mobula daje nam naprawdę dobrą praktyczną zasadę racjonalnego projektowania.
Odniesienie: „Kompromis przepuszczalności i selektywności dla uniwersalnego nieszczelnego kanału inspirowanego filtrami mobula” autorstwa Xinyu Mao, Irmgard Bischofberger i Anette E. Hosoi, 25 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2410018121
Prace te były częściowo wspierane przez Stany Zjednoczone Narodowe Instytuty Zdrowiaoraz fundusz stypendialny Harveya P. Greenspana.
