麻省理工學院（MIT）的工程師發現，濾食性水生蝠鱝（mobula ray）利用一種獨特的機制同時進食和呼吸，這可能會徹底改變工業用水過濾器。透過研究蝠鱝嘴和鰓結構的幾何形狀，他們開發出了更高效過濾系統的藍圖，在滲透性和選擇性之間實現了平衡，從而在不增加能耗的情況下提高了性能。

工程師仿照蝠鱝過濾浮游生物的功能，製作了一個簡單的濾水器。 圖為過濾器的碎片。 圖片來源：Jennifer Chu

濾食動物遍布整個動物王國，從微小的甲殼動物、珊瑚和磷蝦到較大的物種，如軟體動物、藤壺、姥鯊和鬚鯨。 現在，麻省理工學院的工程師發現，這些濾食動物中的一種–莫布拉鰩–已經進化出了一種獨特的進食方法，這種方法可以為更好的工業濾水器設計提供靈感。

在最近發表於《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中，研究人員描述了蝠鱝的濾食系統，蝠鱝是一類水生蝠鱝，包括兩種蝠鱝和七種魔鬼鰩。 蝠鱝張開大嘴在浮游生物豐富的水域中游動，捕捉浮游生物。

在蝠鱝的口腔內，兩側各有一個平行的梳狀結構，稱為”板”，將水引向鰓。 麻省理工學院的研究團隊發現，這些板的間距非常精確，能使浮游生物顆粒彈到蝠鱝嘴的更深處，而不是透過鰓逃逸。 此外，鰓還能從流出的水中提取氧氣，讓蝠鱝在進食的同時能呼吸。

研究報告的作者、麻省理工學院帕帕拉多機械工程教授Anette”Peko”Hosoi 說：”我們的研究表明，蝠鱝已經將這些板的幾何形狀進化到了能夠平衡進食和呼吸的完美尺寸。”

蝠魟吞食海水，並利用口腔中的特殊過濾器分離食物顆粒。 資料來源：薛晶

工程師仿照蝠鱝過濾浮游生物的功能，製作了一個簡單的濾水器。 他們研究了在過濾器上安裝3D 列印板狀結構後，水是如何流過過濾器的。 研究團隊利用這些實驗結果繪製了一張藍圖，他們說設計師可以利用這張藍圖來優化工業用橫流式過濾器，這種過濾器的構造與莫布拉射線的構造大致相似。

第一作者、麻省理工學院博士後Xinyu Mao博士說：”我們希望利用蝠鱝的新知識拓展傳統橫流過濾的設計空間。人們可以選擇蝠鱝的參數機制，從而有可能提高過濾器的整體性能。 “

Hosoi和Mao與麻省理工學院機械工程副教授Irmgard Bischofberger共同完成了這項新研究。

藍色液體代表實驗裝置中過濾板之間的流動結構。 圖片來源：研究人員提供

這項新研究源自於研究小組在科威德病毒大流行期間對過濾的關注，當時研究人員正在設計過濾病毒的口罩。 從那時起，Mao將研究重點轉移到動物的過濾以及某些過濾進食機制如何改善水處理廠等工業領域使用的過濾器。

Mao觀察到，任何工業過濾器都必須在滲透性（流體通過過濾器的容易程度）和選擇性（過濾器阻擋目標大小顆粒的成功程度）之間取得平衡。 例如，佈滿大孔的濾膜可能具有很高的滲透性，這意味著只需很少的能量就能抽取大量的水。 然而，膜上的大孔會讓許多顆粒通過，使其選擇性非常低。 同樣，孔徑小得多的薄膜會有更高的選擇性，但也需要更多的能量才能將水泵過小孔。

在研究濾食性動物時，Mao發現蝠鱝在滲透性和選擇性之間取得了理想的平衡： 蝠鱝的滲透性很強，它能讓水快速進入口腔，再透過鰓流出，從而捕獲氧氣進行呼吸。 同時，它還具有高度的選擇性，可以過濾浮游生物並捕食浮游生物，而不是讓浮游生物顆粒通過鰓流出。

研究人員發現，這種射線的過濾功能與工業用橫流式過濾器大致相似。 這些過濾器的設計原理是，流體流經一個可滲透的薄膜，讓大部分流體通過，而任何污染顆粒則繼續流過膜，最終排入廢物池。

研究團隊想知道，蝠鱝是否會為工業用錯流過濾器的設計改進帶來啟發。 為此，他們深入研究了動態過濾技術。

作為新研究的一部分，研究小組受蝠鱝的啟發製作了一個簡單的濾鏡。 這種過濾器的設計就是工程師所說的”漏水通道”–其實就是一個邊上有孔的管道。 在這種情況下，研究團隊的”通道”由兩塊邊緣膠合在一起的扁平透明丙烯酸板組成，兩塊板之間有一個小開口，液體可以通過這個開口泵入。 在通道的一端，研究人員插入了三維列印的結構，這些結構類似於沿著蝠鱝嘴底部的瀏海板。

然後，研究小組以不同的速度將水泵入通道，並用彩色染料將水流可視化。 他們拍攝了整個通道的圖像，並觀察到一個有趣的轉變： 在緩慢的泵送速率下，流動”非常平緩”，流體很容易滑過印刷板上的劉海，然後流到儲液器中。 當研究人員提高抽速時，流速較快的液體並沒有滑過，而是在每個瀏海口處旋轉，形成一個漩渦，類似於梳子齒尖之間的一個小發結。

Hosoi 解釋說：「這個漩渦不是在阻擋水，而是在阻擋顆粒。在流速較慢的情況下，顆粒會隨著水流通過過濾器，而在流速較高的情況下，顆粒試圖通過過濾器，但卻被這個漩渦阻擋，轉而被射入通道。

研究小組推測，漩渦是蝠魟具備濾食能力的關鍵。 蝠鱝能夠以恰到好處的速度遊動，使流入其口中的水在板間形成渦流。 這些漩渦能有效地阻擋浮游生物顆粒，即使是那些小於板間空隙的浮游生物顆粒也不例外。 然後，這些微粒就會彈跳到板塊，進一步進入蝠鱝的腔體，而其餘的水則仍然可以在板塊之間流動，並通過鰓流出。

研究人員利用他們的實驗結果以及蝠鱝過濾特徵的尺寸，繪製了一幅橫流過濾的藍圖。

“我們為如何像蝠鱝那樣進行實際過濾提供了實用指導，”Mao 說。

Hosoi說：”我們需要設計一種濾波器，使其處於能產生渦流的狀態。指導方針告訴我們： 如果希望設備以一定的速度抽水，那麼過濾器就必須有特定的孔徑和間距，以產生渦流，過濾掉這種大小的顆粒。

編譯自/ ScitechDaily