麻省理工學(xué)院受蝠鲼啟發(fā)，使用3D打印制造水過濾器，提高過濾效率

2024年11月，麻省理工學(xué)院的學(xué)者在期刊 Proceedings of the National Academy of Science上發(fā)表了一篇題為Permeability–selectivity trade-off for a universal leaky channel inspired by mobula filters（受蝠鲼過濾器啟發(fā)的通用漏通道的滲透性-選擇性權(quán)衡）。在此研究中，研究者們使用了增材制造技術(shù)設(shè)計并制造了一種新型的水過濾器。



研究背景
在工業(yè)水處理領(lǐng)域，過濾器的設(shè)計面臨著滲透性和選擇性之間的艱難權(quán)衡。傳統(tǒng)的過濾器要么孔徑大，允許液體輕松通過但難以阻擋顆粒；要么孔徑小，雖然能夠更有效地過濾但需要更多的能量來推動水流。為了尋找更好的解決方案，麻省理工學(xué)院的研究團隊將目光投向了自然界——特別是蝠鲼（Manta Ray），這種海洋生物的濾食機制為解決上述問題提供了新的靈感。



蝠鲼屬于鰩魚家族，以其獨特的進食方式聞名。它們游過富含浮游生物的海域時，會張開大口讓水流過其鰓，而特殊的梳狀結(jié)構(gòu)則負責(zé)捕捉浮游生物作為食物。研究人員發(fā)現(xiàn)，蝠鲼的嘴底兩側(cè)排列著平行的板狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不僅幫助水流順暢地通過鰓進行呼吸，還能有效捕獲浮游生物。這表明，經(jīng)過長期進化，蝠鲼已經(jīng)具備了理想的結(jié)構(gòu)尺寸，可以在進食的同時高效呼吸。這一特性激發(fā)了工程師們思考如何將其應(yīng)用到工業(yè)過濾技術(shù)中。

研究內(nèi)容
麻省理工學(xué)院的工程師們利用增材制造（即3D打印）技術(shù)，模仿蝠鲼的浮游生物過濾特性，設(shè)計并制造了一種新型的水過濾器。研究團隊首先構(gòu)建了一個簡易模型，該模型由兩塊扁平透明的丙烯酸板組成，邊緣粘合在一起，中間留有小開口供液體通過。在通道的一端，研究人員插入了3D打印的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)復(fù)制了蝠鲼嘴底的凹槽板。


△藍色液體代表實驗裝置中濾板之間的流動結(jié)構(gòu)

實驗過程中，研究人員以不同的速率將水泵入通道，并使用彩色染料觀察水流情況。他們注意到，在低速泵送條件下，水流非常平靜，液體可以輕易滑過3D打印板上的凹槽進入儲液器。然而，當泵送速率增加時，快速流動的液體不再順利通過，而是在每個凹槽的入口處形成了渦流。這些渦流類似于梳齒尖端之間的小團頭發(fā)，能夠阻擋顆粒物質(zhì)而不阻礙水流，使得比板間空間還小的顆粒也能被有效攔截。

研究結(jié)果



研究表明，3D打印技術(shù)在模仿蝠鲼的自然過濾機制方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過調(diào)整3D打印板狀結(jié)構(gòu)的尺寸和間距，研究人員成功模擬了蝠鲼在進食過程中的渦流效應(yīng)。渦流不僅不會阻擋水流，反而成為了阻擋顆粒物質(zhì)的有效屏障，使過濾器在保持高滲透性的前提下大幅提高了選擇性。此外，研究團隊根據(jù)實驗數(shù)據(jù)制定了詳細的藍圖，指導(dǎo)如何優(yōu)化工業(yè)橫流過濾器的設(shè)計，使其性能更加接近自然界的高效過濾系統(tǒng)。

這項工作不僅展示了增材制造在開發(fā)新型過濾技術(shù)方面的潛力，也為未來的工業(yè)過濾器設(shè)計提供了重要的參考。麻省理工學(xué)院的研究人員指出，他們的設(shè)計原則可以應(yīng)用于各種工業(yè)場景，如水處理廠、食品加工行業(yè)等，通過合理選擇參數(shù)方案，潛在提升整體過濾器的性能。Xinyu Mao博士表示：“我們希望利用對蝠鲼的新認識擴展傳統(tǒng)橫流過濾的設(shè)計可能性，使人們能夠依據(jù)具體需求定制化過濾解決方案。”

這項由麻省理工學(xué)院機械工程系教授Anette 'Peko' Hosoi、機械工程副教授Irmgard Bischofberger以及博士后Xinyu Mao博士共同完成的研究，不僅揭示了自然界生物結(jié)構(gòu)對工程技術(shù)的啟示作用，同時也為工業(yè)應(yīng)用帶來了革新性的設(shè)計理念。研究成果發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊上，標志著增材制造技術(shù)在環(huán)保和資源回收領(lǐng)域的又一重要進展。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2410018121