滤食性动物在动物世界中无处不在，从微小的甲壳类动物、某些种类的珊瑚和磷虾，到各种软体动物、藤壶，甚至是大型姥鲨和须鲸。现在，麻省理工学院的工程师们发现，一种过滤喂食器已经进化到可以过滤食物的方式，可以改进工业滤水器的设计。
在本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，研究小组描述了蝠鲼的滤食机制。蝠鲼是一种水生鳐，包括两种蝠鲼和七种魔鬼鱼。蝠鲼的捕食方式是张大嘴巴游过海洋中浮游生物丰富的区域，并在水流进嘴和从鳃流出时将浮游生物颗粒过滤到食道中。
蝠鲼嘴的底部两侧排列着平行的梳状结构，称为板，将水虹吸到鳐鱼的鳃中。麻省理工学院的研究小组已经证明，这些板块的尺寸可能允许进入的浮游生物一路反弹，穿过板块，进一步进入鳐鱼的腔，而不是通过鳃。更重要的是，鳐鱼的鳃从流出的水中吸收氧气，帮助鳐鱼在进食的同时呼吸。
“我们发现，蝠鲼已经进化出了这些板块的几何形状，达到了平衡进食和呼吸的完美尺寸，”该研究的作者、麻省理工学院帕帕拉多机械工程教授Anette“Peko”Hosoi说。
工程师们仿照蝠鲼的浮游生物过滤特性制作了一个简单的滤水器。他们研究了当过滤器装有3d打印的板状结构时，水是如何流过过滤器的。研究小组利用这些实验的结果，绘制了一个蓝图，他们说，设计师可以用这个蓝图来优化工业交叉流过滤器，这种过滤器在结构上与蝴蝶射线的过滤器大致相似。
“我们想用来自蝠鲼的新知识来扩展传统横流过滤的设计空间，”第一作者、麻省理工学院博士后Xinyu Mao博士说。“人们可以选择一种蝴蝶射线的参数制度，这样他们就有可能提高整体过滤器的性能。”
Hosoi和Mao与麻省理工学院机械工程副教授Irmgard Bischofberger共同撰写了这项新研究。
更好的权衡
这项新研究源于该小组在新冠疫情最严重时期对过滤的关注，当时研究人员正在设计口罩来过滤病毒。从那时起，毛就把重点转移到研究动物的过滤，以及某些过滤喂养机制如何改善工业中使用的过滤器，比如水处理厂。
毛观察到，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（过滤器阻止目标尺寸的颗粒进入的成功程度）之间取得平衡。例如，一层布满大洞的膜可能具有高渗透性，这意味着可以用很少的能量将大量的水泵入其中。然而，这种膜的大孔会让许多粒子通过，这使得它的选择性很低。同样，具有更小孔隙的膜将具有更强的选择性，但也需要更多的能量来将水从更小的开口中抽出来。
“我们问自己，如何在渗透率和选择性之间取得更好的平衡？”Hosoi说。
在研究滤食性动物时，毛发现蝠鲼在渗透性和选择性之间取得了理想的平衡：蝠鲼具有高度的渗透性，因为它可以让水快速进入嘴里，并通过鳃排出体外，从而捕捉氧气进行呼吸。同时，它具有高度选择性，过滤并以浮游生物为食，而不是让颗粒从鳃中流出。
研究人员意识到，光线的过滤特性与工业交叉流过滤器大致相似。这些过滤器的设计使液体流过一层可渗透的膜，该膜允许大部分液体通过，而任何污染颗粒继续流过膜，最终进入废物储存库。
研究小组想知道，云蝶射线是否可以启发工业交叉流过滤器的设计改进。为此，他们深入研究了星云射线过滤的动力学。
旋涡键
作为他们新研究的一部分，研究小组制作了一个简单的过滤器，灵感来自于蝠鲼射线。这种过滤器的设计被工程师们称为“泄漏通道”——实际上，就是一根两边有洞的管道。在这种情况下，该团队的“通道”由两个平坦的透明丙烯酸板组成，它们在边缘粘合在一起，板之间有一个微小的开口，可以泵送流体。在通道的一端，研究人员插入了3d打印的结构，类似于沿着蝠鲼口腔底部的凹槽板。
然后，该团队以不同的速率将水泵入通道，并将彩色染料用于可视化流动。他们拍摄了海峡对岸的图像，观察到一个有趣的转变：在缓慢的泵送速率下，流动“非常平静”，流体很容易通过印刷板上的凹槽滑出并进入水库。当研究人员提高泵送速率时，快速流动的液体并没有滑过，而是在每个凹槽的口旋转，形成一个漩涡，类似于梳子齿尖之间的小发髻。
细井解释说：“这个漩涡并没有阻挡水，但它阻挡了粒子。”“而在较慢的流量中，颗粒与水一起通过过滤器，在较高的流量下，颗粒试图通过过滤器，但被涡流阻挡，而是被射入通道。”漩涡是有帮助的，因为它可以防止粒子流出。”
研究小组推测，漩涡是蝠鲼滤食能力的关键。鳐鱼能够以恰到好处的速度游动，水流进它的嘴里，可以在凹槽板之间形成漩涡。这些漩涡有效地阻挡了任何浮游生物颗粒——甚至是那些比板块之间的空间还小的浮游生物颗粒。然后，颗粒在盘子上反弹，并进一步进入光线的腔，而其余的水仍然可以在盘子之间流动，并通过鳃流出。
研究人员利用他们的实验结果，以及星云射线过滤特征的尺寸，制定了一份横流过滤的蓝图。
毛教授说：“我们提供了实用的指导，告诉人们如何像蝴蝶光线那样过滤光线。”
“你想要设计一个过滤器，这样你就能在产生漩涡的地方，”细井说。“我们的指导方针告诉你：如果你想让你的工厂以一定的速度抽水，那么你的过滤器必须有一个特定的孔径和间距，以产生涡流，过滤掉这种大小的颗粒。蝠鲼给了我们一个很好的理性设计的经验法则。”
这项工作得到了美国国立卫生研究院和哈维·p·格林斯潘奖学金基金的部分支持。
