仿生学新应用：受蝠鲼过滤食物的启发 设计出更好的过滤器

自然是最好的老师。滤食性动物在水流通过性和食物选择性之间取得了自然平衡，这可以为水处理系统的设计提供思路。

　　

过滤对于健康的现代生活和许多工业过程至关重要。在过滤器设计中，渗透率和选择性都是我们期望的，但二者不可得兼，需要根据权衡分析进行选择。这一点我们不妨向自然界学习。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，它们需要不断地从水流中滤过食物。麻省理工学院的工程师们发现，一种过滤食性动物过滤食物的方式，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，称为滤板（plates），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，这些滤板的尺寸可能允许进入的浮游生物一路反弹，进入鳐鱼的消化腔，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滤板的几何形状，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，设计师可以用这个蓝图来优化工业切向流过滤器，这种过滤器在结构上与蝠鲼的过滤器大致相似。

“我们想用来自蝠鲼的新知识来扩展传统切向流过滤的设计空间，”第一作者、麻省理工学院博士后Xinyu Mao博士说。“人们可以选择一种蝠鲼的参数，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，Mao就把重点转移到研究动物的过滤，以及某些滤食机制如何应用于改善工业中使用的过滤器，比如水处理厂。

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（过滤器阻止目标尺寸的颗粒进入能力）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滤孔中抽出来。

“我们问自己，如何在通透性和选择性之间取得更好的平衡？”在研究滤食性动物时，Mao发现蝠鲼在渗透性和选择性之间取得了理想的平衡：具有高度的通过性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，而不是让食物从鳃中流出。

研究人员意识到，蝠鲼的过滤特性与工业切向流过滤器大致相似。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，蝠鲼是否可以启发工业切向流过滤器的设计改进。为此，他们深入研究了蝠鲼过滤的动力学。

涡旋揭开过滤之谜

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。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。他们拍摄了通道的图像，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。

Hosoi 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，浮游生物颗粒在滤板上反弹，并进一步进入蝠鲼的腔内，而其余的水仍然可以在滤板之间流动，并通过鳃流出。

研究人员利用他们的实验结果，以及蝠鲼过滤特征的尺寸，制定了一份切向流过滤的蓝图。Mao说：“我们提供了实用的指导，告诉人们如何像蝠鲼那样过滤。”

“你想要设计一个能在产生漩涡的过滤器，”Hosoi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。”

研究摘要

蝠鲼已经进化出叶子状的过滤结构，可以将食物颗粒从海水中分离出来，其功能类似于工业上的切向流过滤器。与通过权衡分析合理设计渗透率和选择性的切向流过滤不同，蝠鲼过滤器几何形状演变的驱动力仍然难以捉摸。为了结合切向流和蝠鲼过滤的原理，我们在受蝠鲼过滤器启发的泄漏通道中建立了渗透率和选择性权衡的通用框架，其中渗透率和选择性分别以孔隙尺度泄漏率和截止粒径为特征。这个通用框架揭示了三种机制——除了在切向流过滤的经典孔隙流动机制，还有蝠鲼过滤中的过渡机制和涡旋机制，三种机制下的水渗透性和颗粒选择性有不同规则。我们确定了一个未曾报道过的、在涡旋机制中泄漏率的1/2次方规则。结论是，蝠鲼过滤器在渗透性和选择性之间取得了优雅的平衡，这使得蝠鲼能够同时满足呼吸和滤食喂养的生物需求。通过将切向流过滤和蝠鲼过滤整合到一个通用框架中，我们的研究结果提供了与生物过滤几何形状相关的物理约束和进化压力的基本见解，并可为在工业中开发过滤提供指导。