麻省理工学院受蝠鲼启发，使用3D打印制造水过滤器，提高过滤效率

2024年11月，麻省理工学院的学者在期刊 Proceedings of the National Academy of Science上发表了一篇题为Permeability–selectivity trade-off for a universal leaky channel inspired by mobula filters（受蝠鲼过滤器启发的通用漏通道的渗透性-选择性权衡）。在此研究中，研究者们使用了增材制造技术设计并制造了一种新型的水过滤器。



研究背景
在工业水处理领域，过滤器的设计面临着渗透性和选择性之间的艰难权衡。传统的过滤器要么孔径大，允许液体轻松通过但难以阻挡颗粒；要么孔径小，虽然能够更有效地过滤但需要更多的能量来推动水流。为了寻找更好的解决方案，麻省理工学院的研究团队将目光投向了自然界——特别是蝠鲼（Manta Ray），这种海洋生物的滤食机制为解决上述问题提供了新的灵感。



蝠鲼属于鳐鱼家族，以其独特的进食方式闻名。它们游过富含浮游生物的海域时，会张开大口让水流过其鳃，而特殊的梳状结构则负责捕捉浮游生物作为食物。研究人员发现，蝠鲼的嘴底两侧排列着平行的板状结构，这些结构不仅帮助水流顺畅地通过鳃进行呼吸，还能有效捕获浮游生物。这表明，经过长期进化，蝠鲼已经具备了理想的结构尺寸，可以在进食的同时高效呼吸。这一特性激发了工程师们思考如何将其应用到工业过滤技术中。

研究内容
麻省理工学院的工程师们利用增材制造（即3D打印）技术，模仿蝠鲼的浮游生物过滤特性，设计并制造了一种新型的水过滤器。研究团队首先构建了一个简易模型，该模型由两块扁平透明的丙烯酸板组成，边缘粘合在一起，中间留有小开口供液体通过。在通道的一端，研究人员插入了3D打印的结构，这些结构复制了蝠鲼嘴底的凹槽板。


△蓝色液体代表实验装置中滤板之间的流动结构

实验过程中，研究人员以不同的速率将水泵入通道，并使用彩色染料观察水流情况。他们注意到，在低速泵送条件下，水流非常平静，液体可以轻易滑过3D打印板上的凹槽进入储液器。然而，当泵送速率增加时，快速流动的液体不再顺利通过，而是在每个凹槽的入口处形成了涡流。这些涡流类似于梳齿尖端之间的小团头发，能够阻挡颗粒物质而不阻碍水流，使得比板间空间还小的颗粒也能被有效拦截。

研究结果



研究表明，3D打印技术在模仿蝠鲼的自然过滤机制方面发挥了关键作用。通过调整3D打印板状结构的尺寸和间距，研究人员成功模拟了蝠鲼在进食过程中的涡流效应。涡流不仅不会阻挡水流，反而成为了阻挡颗粒物质的有效屏障，使过滤器在保持高渗透性的前提下大幅提高了选择性。此外，研究团队根据实验数据制定了详细的蓝图，指导如何优化工业横流过滤器的设计，使其性能更加接近自然界的高效过滤系统。

这项工作不仅展示了增材制造在开发新型过滤技术方面的潜力，也为未来的工业过滤器设计提供了重要的参考。麻省理工学院的研究人员指出，他们的设计原则可以应用于各种工业场景，如水处理厂、食品加工行业等，通过合理选择参数方案，潜在提升整体过滤器的性能。Xinyu Mao博士表示：“我们希望利用对蝠鲼的新认识扩展传统横流过滤的设计可能性，使人们能够依据具体需求定制化过滤解决方案。”

这项由麻省理工学院机械工程系教授Anette 'Peko' Hosoi、机械工程副教授Irmgard Bischofberger以及博士后Xinyu Mao博士共同完成的研究，不仅揭示了自然界生物结构对工程技术的启示作用，同时也为工业应用带来了革新性的设计理念。研究成果发表在美国国家科学院院刊上，标志着增材制造技术在环保和资源回收领域的又一重要进展。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2410018121