如何做出不会堵住的过滤器?向蝠鲼取取经吧

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蝠鲼吃饭的样子看起来十分奇特:它们张开巨大的嘴,在海里游来游去。这些看起来有些吓人的大型软骨鱼其实靠滤食维生,海水流进它们的大嘴巴,经过鳃耙的过滤,把小小的浮游生物留下,其余的海水又会从鳃裂流走。

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(蝠鲼滤食。原视频:Oscar Olsson)

对人类而言,过滤也是个十分常见的操作,最简单的思路就是用一张滤网拦住比它孔隙直径大的颗粒。但是这样做却总是伴随着一个烦恼:颗粒容易把滤网会堵住,不得不经常更换或者清洁。

但是每天过滤着海水的蝠鲼看起来却不受堵塞的困扰,它们也并没有什么用来清洁过滤装置的操作。蝠鲼的鳃为什么不会被食物颗粒堵住呢?

为了弄清这个问题,有研究者用3D打印模型和计算机模拟进行了实验。他们选择双吻前口蝠鲼(Manta birostris) 作为参考原型,模仿了它的解剖结构,并通过游泳速度推测了过滤时的流速。这些大家伙过滤食物的装置由一排排平行的结构组成,看起来有点像是倾斜的多米诺骨牌。

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(蝠鲼的滤食结构。图片来源:Misty Paig-Tran)

实验显示,这些过滤结构的工作方式和滤网其实非常不同。滤网应该只能拦住比开口直径大的颗粒,颗粒会容易卡在开口的地方;而蝠鲼的过滤结构却能留下比开口更小的颗粒,而且小颗粒并不会堆积在缝隙的开口处,它们会在这里被“弹开”,继续沿着过滤结构的表面前进(见下方示意图)。结果就是,海水会随着缝隙流走,而食物颗粒则一路向前,进入了蝠鲼的消化道。

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(原视频来源:James Strother)

是什么阻止了小颗粒进入过滤结构的缝隙?当水流遇到过滤结构时,会在开口处产生涡流(见下图),研究者表示这些涡流就是阻止食物颗粒进入缝隙的关键。

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(看到缝隙开口处蓝色的漩涡了吗?原视频:Rachel Gutman)

利用蝠鲼的方法,或许也能设计出更不易堵塞的工业用过滤器,例如用来处理废水中的塑料微粒等等。

原论文:http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat9533

相关报道:https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/09/how-manta-rays-gill-rakers-filter-water-without-clogging/571324/

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