فیلتر دان در همه جای دنیای حیوانات وجود دارد، از سخت پوستان کوچک و برخی از انواع مرجان ها و کریل ها گرفته تا نرم تنان مختلف، صدف های دریایی و حتی کوسه های غول پیکر و نهنگ های بالین. اکنون مهندسان MIT کشف کرده‌اند که یک فیدر فیلتر برای غربال کردن مواد غذایی به روش‌هایی تکامل یافته است که می‌تواند طراحی فیلترهای آب صنعتی را بهبود بخشد.
در مقاله ای که این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوماین تیم مکانیسم تغذیه با فیلتر موبولا را مشخص کردند، خانواده ای از پرتوهای آب که شامل دو گونه پرتوهای مانتا و هفت پرتو شیطان است. ماهی‌های موبولا با شنا کردن با دهان باز از میان نواحی غنی از پلانکتون در اقیانوس و فیلتر کردن ذرات پلانکتون به مری خود تغذیه می‌کنند، زیرا آب به داخل دهان آنها جریان می‌یابد و از طریق آبشش‌هایشان خارج می‌شود.
کف دهان موبولا از دو طرف با ساختارهای موازی و شانه مانندی به نام صفحات پوشیده شده است که آب را به داخل آبشش ماهی خار می مکد. تیم MIT نشان داد که ابعاد این صفحات می‌تواند به پلانکتون‌های ورودی اجازه دهد تا به جای خروج از آبشش‌ها، از میان صفحات و بیشتر به داخل حفره پرتو بپرند. علاوه بر این، آبشش‌های پرتو اکسیژن را از آب جاری جذب می‌کنند، که به پرتو کمک می‌کند تا همزمان با تغذیه، تنفس کند.
آنت “پکو” هوسوی، نویسنده این مطالعه، پروفسور مهندسی مکانیک پاپالاردو در MIT، گفت: ما نشان می‌دهیم که پرتو موبولا هندسه این صفحات را به اندازه مناسب برای متعادل کردن تغذیه و تنفس تغییر داده است.
مهندسان برای فیلتر کردن پلانکتون ها یک فیلتر آب ساده ایجاد کردند که بر اساس ویژگی های یک پرتو موبولا مدل سازی شده بود. آنها بررسی می کنند که چگونه آب از فیلتر عبور می کند وقتی که ساختارهای صفحه مانند چاپ سه بعدی نصب شده است. این تیم نتایج این آزمایش‌ها را گرفت و طرحی تهیه کرد که به عقیده آنها طراحان می‌توانند از آن برای بهینه‌سازی فیلترهای جریان متقاطع صنعتی استفاده کنند که از نظر پیکربندی تقریباً شبیه پرتو موبولا هستند.
نویسنده ارشد و دکترای دکتر Xinyu Mao ’24 MIT می‌گوید: «ما می‌خواهیم فضای طراحی فیلتراسیون جریان متقاطع سنتی را با دانش جدید از پرتو مانتا گسترش دهیم. “مردم می توانند حالت پارامتر پرتو موبولا را انتخاب کنند تا به طور بالقوه بتوانند کارایی کلی فیلتر را بهبود بخشند.”
هوسوی و مائو با همکاری ایرمگارد بیشوفبرگر، استادیار مهندسی مکانیک در MIT، این مطالعه جدید را نوشتند.
سازش بهتر
مطالعه جدید ناشی از تمرکز این گروه بر فیلتراسیون در اوج همه‌گیری کووید است، زمانی که محققان ماسک‌های صورت را برای فیلتر کردن ویروس طراحی کردند. مائو از آن زمان به بعد تمرکز خود را به مطالعه فیلتراسیون در حیوانات و این که چگونه مکانیسم‌های خاص تغذیه فیلتر می‌تواند فیلترهای مورد استفاده در صنعت، مانند کارخانه‌های تصفیه فاضلاب را بهبود بخشد، تغییر داده است.
مائو خاطرنشان کرد که هر فیلتر صنعتی باید تعادلی بین نفوذپذیری (چقدر مایع می تواند از فیلتر عبور کند) و گزینش پذیری (تا چه حد فیلتر در حفظ ذرات با اندازه های هدف موفق است) پیدا کند. به عنوان مثال، یک غشاء پر از سوراخ های بزرگ می تواند بسیار نفوذپذیر باشد، به این معنی که می توان مقدار زیادی آب را با استفاده از انرژی بسیار کمی پمپ کرد. با این حال، دهانه های بزرگ غشاء اجازه می دهد تا بسیاری از ذرات از آن عبور کنند و انتخاب پذیری آن بسیار پایین است. به طور مشابه، غشایی با منافذ بسیار کوچکتر انتخابی تر است، اما همچنین برای پمپاژ آب از طریق دهانه های کوچکتر به انرژی بیشتری نیاز دارد.
هوسوی می‌گوید: «ما از خود پرسیدیم، چگونه می‌توانیم این مبادله بین نفوذپذیری و انتخاب‌پذیری را مدیریت کنیم؟»
هنگامی که مائو حیواناتی را که از فیلتر تغذیه می‌کردند بررسی می‌کرد، متوجه شد که پرتو موبولا به تعادل ایده‌آل بین نفوذپذیری و گزینش‌پذیری دست یافته است: این پرتو بسیار نفوذپذیر بود زیرا می‌توانست آب را به‌اندازه کافی به دهان خود وارد کند و از آبشش‌هایش خارج کند تا اکسیژن را برای تنفس جذب کند. در عین حال، بسیار گزینشی است، به جای اینکه اجازه دهد ذرات از طریق آبشش ها فرار کنند، از پلانکتون ها فیلتر و تغذیه می کند.
محققان دریافتند که ویژگی های فیلتر پرتو تا حد زیادی شبیه به فیلترهای جریان متقاطع صنعتی است. این فیلترها به گونه ای طراحی شده اند که مایع از یک غشای تراوا عبور کند که بیشتر مایع را از خود عبور می دهد، در حالی که ذرات آلاینده همچنان از طریق غشاء و در نهایت به مخزن زباله جریان می یابد.
تیم به این فکر افتاد که آیا پرتو موبولا می‌تواند الهام‌بخش پیشرفت‌هایی در طراحی فیلترهای جریان متقاطع صنعتی باشد. برای این کار، آنها عمیق‌تر به دینامیک فیلتر پرتو موبولا پرداختند.
آچار گرداب
این تیم به عنوان بخشی از تحقیقات جدید خود، یک فیلتر ساده با الهام از پرتو موبولا طراحی کردند. طراحی فیلتر همان چیزی است که مهندسان آن را “کانال تقسیم” می نامند – در واقع یک لوله با سوراخ هایی در طرفین. در این مورد، “کانال” تیم شامل دو صفحه اکریلیک صاف و شفاف است که در انتها به هم چسبیده اند، با یک باز شدن جزئی بین صفحات که می توان مایع را از طریق آن پمپ کرد. در یک انتهای کانال، محققان ساختارهای چاپ سه بعدی شبیه صفحات شیاردار را که در امتداد انتهای دهان پرتو موبولا قرار دارند، وارد کردند.
سپس تیم آب را به همراه یک رنگ رنگی با سرعت های مختلف از طریق کانال پمپ کرد تا جریان را تجسم کند. آنها از طریق کانال عکس گرفتند و انتقال جالبی را مشاهده کردند: در سرعت پمپاژ آهسته، جریان “بسیار آرام” بود و مایع به راحتی از شیارهای صفحات چاپ شده می لغزد و به داخل مخزن می رفت. هنگامی که محققان سرعت پمپاژ را افزایش دادند، مایع با جریان سریع تر از آن نفوذ نکرد، بلکه به نظر می رسید که در دهانه هر شیار می چرخد و گردابی شبیه گره کوچکی از مو بین نوک دندان های شانه ایجاد می کند.
هوسوی توضیح می دهد: «این گرداب آب را مسدود نمی کند، اما ذرات را مسدود می کند. در حالی که در جریان آهسته‌تر، ذرات با آب از فیلتر عبور می‌کنند، در سرعت‌های جریان بالاتر، ذرات سعی می‌کنند از فیلتر عبور کنند اما توسط این گرداب مسدود می‌شوند و در عوض کانال را ساقط می‌کنند. گرداب مفید است زیرا از خروج ذرات جلوگیری می کند.
تیم فرضیه‌ای را مطرح کرد که گرداب‌ها کلید توانایی موبولا در فیلتر کردن پرتوها هستند. پرتو می تواند با سرعت مناسبی شنا کند که آب جاری در دهانش می تواند بین صفحات شیاردار گرداب ایجاد کند. این گرداب ها به طور موثری هر ذره پلانکتون را مسدود می کنند – حتی آنهایی که کوچکتر از فضای بین صفحات هستند. سپس ذرات از صفحات خارج می شوند و بیشتر به داخل حفره پرتو هدایت می شوند، در حالی که بقیه آب همچنان می تواند بین صفحات جریان یابد و از آبشش ها خارج شود.
محققان از نتایج آزمایش‌های خود به همراه ابعاد ویژگی‌های فیلتر پرتو موبولا برای توسعه طرحی برای فیلتر کردن جریان متقاطع استفاده کردند.
مائو پیشنهاد می‌کند: «ما راهنمایی‌های عملی در مورد چگونگی فیلتر کردن واقعاً مانند پرتو موبولا ارائه کرده‌ایم.
هوسوی می‌گوید: «شما می‌خواهید فیلتری طراحی کنید تا در حالتی قرار بگیرید که در آن گرداب تولید می‌کنید. دستورالعمل‌های ما به شما می‌گوید: اگر می‌خواهید گیاه شما با سرعت مشخصی پمپاژ کند، فیلتر شما باید قطر منافذ و فاصله مشخصی داشته باشد تا گرداب‌هایی تولید کند که ذرات با آن اندازه را فیلتر کنند. پرتو موبولا یک قانون کلی خوب برای طراحی منطقی به ما می دهد.
این کار تا حدی توسط مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده و هاروی پی. گرین اسپن.
