滤食性动物在动物界随处可见，从微小的甲壳类、某些珊瑚和磷虾，到多种软体动物、藤壶，甚至巨大的姥鲨和须鲸。如今，MIT 的工程师发现，一种滤食性动物的进化机制可能为工业水过滤器的设计带来启发。
在近期发表于PANS的论文中，研究团队详细描述了双髻鲨家族的滤食机制——这一家族包括两种蝠鲼和七种魔鬼鲨。双髻鲨通过张开大嘴游过富含浮游生物的海域，过滤浮游颗粒进入咽喉，同时水流从嘴部进入并从鳃部流出。
双髻鲨口腔底部两侧覆盖着平行的梳状结构，称为滤板，这些滤板将水引导至鲨鱼的鳃部。MIT 团队的研究表明，这些滤板的尺寸可能让进入的浮游生物完全弹过滤板，进一步进入鲨鱼的腔体，而不是从鳃部排出。此外，鲨鱼的鳃能够从排出的水流中吸收氧气，使其能够在进食的同时呼吸。
“我们发现，双髻鲨的滤板几何结构经过进化，尺寸完美平衡了进食与呼吸的需求。”论文作者、MIT 机械工程系 Pappalardo 教授 Anette Peko Hosoi 说。
工程师们以双髻鲨的浮游生物过滤特性为原型，制作了一种简单的水过滤器。他们研究了当过滤器配备 3D 打印的板状结构时水流的行为。团队基于实验结果绘制了一份蓝图，供设计者优化工业横流过滤器使用。横流过滤器的配置与双髻鲨的机制在原理上非常相似。
“我们希望通过从蝠鲼中获得的新知识，拓宽传统横流过滤器的设计空间。”论文主要作者、MIT 博士后研究员 Xinyu Mao（2024 年博士毕业）表示，“设计者可以选择双髻鲨的参数范围，从而可能提高过滤器的整体性能。”
Hosoi 与 Mao 以及 MIT 机械工程系副教授 Irmgard Bischofberger 共同撰写了这项新研究。
更优的权衡
这项新研究起源于研究团队在新冠疫情高峰期对过滤技术的关注。当时，研究人员正在设计用于过滤病毒的口罩。自那以后，Mao 将研究重点转向了动物过滤机制，并探索某些滤食性机制如何改善工业过滤器的性能，例如水处理厂中的过滤系统。
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（过滤器阻挡特定大小颗粒的能力）之间找到平衡。例如，一个带有大孔的膜可能具有很高的渗透性，这意味着可以用很少的能量泵送大量水，但由于大孔的存在，该膜对颗粒的选择性会非常低。反之，一个孔隙较小的膜虽然选择性更高，但需要更多能量来将水泵过这些小孔。
“我们问自己，如何在渗透性和选择性之间实现更好的权衡？”Hosoi 说。
当 Mao 研究滤食性动物时，他发现双髻鲨在渗透性和选择性之间达成了理想的平衡：双髻鲨具有很高的渗透性，能够迅速让水进入口腔并从鳃部流出，从而吸收氧气进行呼吸。同时，它也具有很高的选择性，能够过滤并捕捉浮游生物，而不是让这些颗粒随水流从鳃部排出。
研究人员意识到，双髻鲨的过滤特性与工业横流过滤器在原理上有相似之处。这些过滤器的设计使得流体横向流过一个可渗透的膜，膜能够让大部分流体通过，而污染颗粒则继续沿膜流动，最终进入废料收集槽。
团队开始思考双髻鲨的过滤机制是否可以为工业横流过滤器的设计带来改进，为此，他们深入研究了双髻鲨过滤机制的动态特性。
涡流的关键
在这项新研究中，该团队制作了一个受双髻鲨启发的简单过滤器。过滤器的设计被工程师称为“泄漏通道”，本质上是一个两侧带孔的管道。该研究中，团队开发的“通道”由两块透明的平面丙烯酸板构成，边缘粘合在一起，中间留有一条微小的缝隙以供流体通过。在通道的一端，研究人员放置了 3D 打印的结构，这些结构类似于双髻鲨口腔底部的沟槽滤板。
研究团队将水和着色染料以不同的速率泵入通道，以便可视化流动情况。他们通过通道拍摄了图片，并观察到有趣的转变：在低速泵送时，流动“非常平静”，液体轻松穿过打印滤板的沟槽流入储槽。当研究人员提高泵送速率时，快速流动的液体没有穿过沟槽，而是在每个沟槽口形成涡流，类似于梳齿之间的发髻状涡旋。
Hosoi 解释道：“这个涡流不会阻挡水，但它会阻挡颗粒。在低速流动中，颗粒随水流通过过滤器；而在高速流动中，颗粒试图穿过过滤器，但被涡流阻挡，随后沿通道向下移动。涡流的存在非常有用，因为它防止了颗粒随水流排出。”
团队推测，涡流是双髻鲨实现滤食能力的关键。双髻鲨能够以恰当的速度游泳，使水流入口腔时在滤板之间形成涡流。这些涡流有效阻挡了所有浮游生物颗粒——即便是那些比滤板间隙更小的颗粒。颗粒随后在滤板上弹跳并进一步进入鲨鱼的腔体，而水则继续通过滤板流出鳃部。
研究人员利用实验结果和双髻鲨过滤结构的尺寸，开发出一份横流过滤的设计蓝图。
“我们提供了实际指导，说明如何像双髻鲨一样进行过滤。”Mao 表示。
Hosoi 补充道：“如果你希望你的过滤器生成涡流，我们的指导原则可以告诉你：假如工厂需要以某一速率泵送流体，那么过滤器的孔径和间距需要达到某个特定值，才能生成涡流并过滤掉这种大小的颗粒。双髻鲨为合理设计提供了一个非常好的经验法则。”
这项研究部分得到了美国国家卫生研究院和 Harvey P. Greenspan 奖学金基金的支持。
https://news.mit.edu/2024/mit-engineers-design-manta-ray-inspired-water-filters-1125
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