濾食性動物在動物界隨處可見，從微小的甲殼類、某些珊瑚和磷蝦，到多種軟體動物、藤壺，甚至巨大的姥鯊和鬚鯨。如今，MIT 的工程師發現，一種濾食性動物的進化機制可能為工業水過濾器的設計帶來啟發。
在近期發表於PANS的論文中，研究團隊詳細描述了雙髻鯊家族的濾食機制——這一家族包括兩種蝠鱝和七種魔鬼鯊。雙髻鯊透過張開大嘴遊過富含浮游生物的海域，過濾浮游顆粒進入咽喉，同時水流從嘴部進入並從鰓部流出。
雙髻鯊口腔底部兩側覆蓋著平行的梳狀結構，稱為濾板，這些濾板將水引導至鯊魚的鰓部。MIT 團隊的研究表明，這些濾板的尺寸可能讓進入的浮游生物完全彈過濾板，進一步進入鯊魚的腔體，而不是從鰓部排出。此外，鯊魚的鰓能夠從排出的水流中吸收氧氣，使其能夠在進食的同時呼吸。
“我們發現，雙髻鯊的濾板幾何結構經過進化，尺寸完美平衡了進食與呼吸的需求。”論文作者、MIT 機械工程系 Pappalardo 教授 Anette Peko Hosoi 說。
工程師們以雙髻鯊的浮游生物過濾特性為原型，製作了一種簡單的水過濾器。他們研究了當過濾器配備 3D 列印的板狀結構時水流的行為。團隊基於實驗結果繪製了一份藍圖，供設計者最佳化工業橫流過濾器使用。橫流過濾器的配置與雙髻鯊的機制在原理上非常相似。
“我們希望透過從蝠鱝中獲得的新知識，拓寬傳統橫流過濾器的設計空間。”論文主要作者、MIT 博士後研究員 Xinyu Mao（2024 年博士畢業）表示，“設計者可以選擇雙髻鯊的引數範圍，從而可能提高過濾器的整體效能。”
Hosoi 與 Mao 以及 MIT 機械工程系副教授 Irmgard Bischofberger 共同撰寫了這項新研究。
更優的權衡
這項新研究起源於研究團隊在新冠疫情高峰期對過濾技術的關注。當時，研究人員正在設計用於過濾病毒的口罩。自那以後，Mao 將研究重點轉向了動物過濾機制，並探索某些濾食性機制如何改善工業過濾器的效能，例如水處理廠中的過濾系統。
Mao 觀察到，任何工業過濾器都必須在滲透性（流體透過過濾器的容易程度）和選擇性（過濾器阻擋特定大小顆粒的能力）之間找到平衡。例如，一個帶有大孔的膜可能具有很高的滲透性，這意味著可以用很少的能量泵送大量水，但由於大孔的存在，該膜對顆粒的選擇性會非常低。反之，一個孔隙較小的膜雖然選擇性更高，但需要更多能量來將水泵過這些小孔。
“我們問自己，如何在滲透性和選擇性之間實現更好的權衡？”Hosoi 說。
當 Mao 研究濾食性動物時，他發現雙髻鯊在滲透性和選擇性之間達成了理想的平衡：雙髻鯊具有很高的滲透性，能夠迅速讓水進入口腔並從鰓部流出，從而吸收氧氣進行呼吸。同時，它也具有很高的選擇性，能夠過濾並捕捉浮游生物，而不是讓這些顆粒隨水流從鰓部排出。
研究人員意識到，雙髻鯊的過濾特性與工業橫流過濾器在原理上有相似之處。這些過濾器的設計使得流體橫向流過一個可滲透的膜，膜能夠讓大部分流體透過，而汙染顆粒則繼續沿膜流動，最終進入廢料收集槽。
團隊開始思考雙髻鯊的過濾機制是否可以為工業橫流過濾器的設計帶來改進，為此，他們深入研究了雙髻鯊過濾機制的動態特性。
渦流的關鍵
在這項新研究中，該團隊製作了一個受雙髻鯊啟發的簡單過濾器。過濾器的設計被工程師稱為“洩漏通道”，本質上是一個兩側帶孔的管道。該研究中，團隊開發的“通道”由兩塊透明的平面丙烯酸板構成，邊緣粘合在一起，中間留有一條微小的縫隙以供流體透過。在通道的一端，研究人員放置了 3D 列印的結構，這些結構類似於雙髻鯊口腔底部的溝槽濾板。
研究團隊將水和著色染料以不同的速率泵入通道，以便視覺化流動情況。他們透過通道拍攝了圖片，並觀察到有趣的轉變：在低速泵送時，流動“非常平靜”，液體輕鬆穿過列印濾板的溝槽流入儲槽。當研究人員提高泵送速率時，快速流動的液體沒有穿過溝槽，而是在每個溝槽口形成渦流，類似於梳齒之間的髮髻狀渦旋。
Hosoi 解釋道：“這個渦流不會阻擋水，但它會阻擋顆粒。在低速流動中，顆粒隨水流透過過濾器；而在高速流動中，顆粒試圖穿過過濾器，但被渦流阻擋，隨後沿通道向下移動。渦流的存在非常有用，因為它防止了顆粒隨水流排出。”
團隊推測，渦流是雙髻鯊實現濾食能力的關鍵。雙髻鯊能夠以恰當的速度游泳，使水流入口腔時在濾板之間形成渦流。這些渦流有效阻擋了所有浮游生物顆粒——即便是那些比濾板間隙更小的顆粒。顆粒隨後在濾板上彈跳並進一步進入鯊魚的腔體，而水則繼續透過濾板流出鰓部。
研究人員利用實驗結果和雙髻鯊過濾結構的尺寸，開發出一份橫流過濾的設計藍圖。
“我們提供了實際指導，說明如何像雙髻鯊一樣進行過濾。”Mao 表示。
Hosoi 補充道：“如果你希望你的過濾器生成渦流，我們的指導原則可以告訴你：假如工廠需要以某一速率泵送流體，那麼過濾器的孔徑和間距需要達到某個特定值，才能生成渦流並過濾掉這種大小的顆粒。雙髻鯊為合理設計提供了一個非常好的經驗法則。”
這項研究部分得到了美國國家衛生研究院和 Harvey P. Greenspan 獎學金基金的支援。
https://news.mit.edu/2024/mit-engineers-design-manta-ray-inspired-water-filters-1125
