服務(wù)熱線：+86 18563290211
024年11月暂题，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）裹唆。在此研究中，研究者們使用了增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了一種新型的水過濾器婴氮。
研究背景
在工業(yè)水處理領(lǐng)域斯棒，過濾器的設(shè)計(jì)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主经，允許液體輕松通過但難以阻擋顆粒荣暮；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仇钞。為了尋找更好的解決方案嗡窑，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)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(jī)制為解決上述問題提供了新的靈感毯甘。
蝠鲼屬于鰩魚家族夭蹦，以其獨(dú)特的進(jìn)食方式聞名。它們游過富含浮游生物的海域時(shí)沙书，會張開大口讓水流過其鰓耳恭，而特殊的梳狀結(jié)構(gòu)則負(fù)責(zé)捕捉浮游生物作為食物。研究人員發(fā)現(xiàn)烧已，蝠鲼的嘴底兩側(cè)排列著平行的板狀結(jié)構(gòu)榨凭，這些結(jié)構(gòu)不僅幫助水流順暢地通過鰓進(jìn)行呼吸，還能有效捕獲浮游生物烘牌。這表明郑迅，經(jīng)過長期進(jìn)化，蝠鲼已經(jīng)具備了理想的結(jié)構(gòu)尺寸撮点，可以在進(jìn)食的同時(shí)高效呼吸令聂。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打庸膛铩）技術(shù)统翩，模仿蝠鲼的浮游生物過濾特性，設(shè)計(jì)并制造了一種新型的水過濾器此洲。研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一個(gè)簡易模型厂汗，該模型由兩塊扁平透明的丙烯酸板組成，邊緣粘合在一起呜师，中間留有小開口供液體通過娶桦。在通道的一端，研究人員插入了3D打印的結(jié)構(gòu)汁汗，這些結(jié)構(gòu)復(fù)制了蝠鲼嘴底的凹槽板衷畦。
△藍(lán)色液體代表實(shí)驗(yàn)裝置中濾板之間的流動結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)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祈争。他們注意到斤程，在低速泵送條件下，水流非常平靜菩混，液體可以輕易滑過3D打印板上的凹槽進(jìn)入儲液器忿墅。然而，當(dāng)泵送速率增加時(shí)棍潜，快速流動的液體不再順利通過在摔，而是在每個(gè)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(tuán)頭發(fā)亥矿，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潜佑。
研究結(jié)果
研究表明锨飞，3D打印技術(shù)在模仿蝠鲼的自然過濾機(jī)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)的尺寸和間距镐准，研究人員成功模擬了蝠鲼在進(jìn)食過程中的渦流效應(yīng)徘敦。渦流不僅不會阻擋水流，反而成為了阻擋顆粒物質(zhì)的有效屏障诈金，使過濾器在保持高滲透性的前提下大幅提高了選擇性虾钾。此外，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定了詳細(xì)的藍(lán)圖拐棺，指導(dǎo)如何優(yōu)化工業(yè)橫流過濾器的設(shè)計(jì)透嫩，使其性能更加接近自然界的高效過濾系統(tǒng)。
這項(xiàng)工作不僅展示了增材制造在開發(fā)新型過濾技術(shù)方面的潛力察绷，也為未來的工業(yè)過濾器設(shè)計(jì)提供了重要的參考干签。麻省理工學(xué)院的研究人員指出，他們的設(shè)計(jì)原則可以應(yīng)用于各種工業(yè)場景拆撼，如水處理廠容劳、食品加工行業(yè)等，通過合理選擇參數(shù)方案闸度，潛在提升整體過濾器的性能竭贩。Xinyu Mao博士表示：“我們希望利用對蝠鲼的新認(rèn)識擴(kuò)展傳統(tǒng)橫流過濾的設(shè)計(jì)可能性，使人們能夠依據(jù)具體需求定制化過濾解決方案莺禁×袅浚”
這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授Anette 'Peko' Hosoi、機(jī)械工程副教授Irmgard Bischofberger以及博士后Xinyu Mao博士共同完成的研究睁宰，不僅揭示了自然界生物結(jié)構(gòu)對工程技術(shù)的啟示作用肪获，同時(shí)也為工業(yè)應(yīng)用帶來了革新性的設(shè)計(jì)理念。研究成果發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊上柒傻，標(biāo)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(jìn)展孝赫。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2410018121
