來源：奧尼卡水處理創(chuàng)新中心（微信號：Organica_Water）

去年年底，老頭子David Attenborough攜手BBC為我們獻(xiàn)上了年度巨作——《藍(lán)色星球2》。

《藍(lán)色星球2》封面 | 圖源：Amazon

在這出美輪美奐的紀(jì)錄片里，小編認(rèn)識了許多匪夷所思的新物種。其中有一個外貌獨(dú)特的海洋動物讓小編印象深刻，它叫Manta Ray，中文名字是蝠鲼。請原諒小編的孤陋寡聞，在此之前小編真的沒聽過這個神奇的動物。

一只在游泳的蝠鲼 | 圖源：theatlantic.com

也許有讀者問，這不就是“魔鬼魚”嗎？實不相瞞，小編對此一知半解。對于這些專業(yè)的討論，小編找來了一篇來自公眾號“NBDIVE”的推文《愛Manta,就來了解它！》，里邊的作者基本上將小編講不清的蝠鲼分類都說清楚了。

小編今天之所以要談蝠鲼，是因為它也許能解決水處理界的過濾技術(shù)的老大難問題——濾孔堵塞。

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魔鬼魚啟發(fā)人類發(fā)明新過濾膜？

所謂“存在即合理”，有研究表明蝠鲼是長壽的動物，最多能活超過100年。其翼式體型以及將呼吸和進(jìn)食合二為一的濾食方式，顯示了它物種進(jìn)化的先進(jìn)性。蝠鲼覓食的時候，會張開它巨大的嘴巴，海水流進(jìn)它們的大嘴巴，經(jīng)過五對鰓弓(gill arches)上的鰓耙(gill rakers)的過濾，把小小的浮游生物留下，其余的海水又會從鰓裂(gill slits)流走。

蝠鲼的鰓弓 | 圖源：STEVE KAJIURA/theatlantic.com

鰓裂

神奇的過濾系統(tǒng)

現(xiàn)在就職于加州州立大學(xué)富爾頓分校（California State University at Fullerton) 的Misty Paig-Tran早在十年前就開始研究蝠鲼了。最初她想知道蝠鲼在游泳的同時都會做什么。她想過往它們嘴里放個攝像機(jī)，但這并不奏效。“蝠鲼非常的靈活和聰明，”她說，“它們是腦袋和身型比最大的魚類，而且它們不喜歡被打擾。”鍥而不舍的她去過三個不同的自然歷史博物館去查看蝠鲼標(biāo)本，她和她的同事尤其想知道蝠鲼截留食物的特殊部位的構(gòu)造。

她和另外兩位研究者將研究成果發(fā)表在9月份的Science Advances上。他們表示，蝠鲼這種“新穎”的濾食方式，可能是開發(fā)更好的工業(yè)過濾系統(tǒng)的關(guān)鍵。

《蝠鲼彈跳分離的覓食方式-新型防堵塞的過濾機(jī)制》 | 圖源：Science Advances

“篩網(wǎng)是最常見的過濾器類型。流體中粒徑大于篩網(wǎng)孔徑的顆粒被過濾膜截留。”這個研究報告的共同作者，俄勒岡州立大學(xué)的生物學(xué)助理教授Jim Strother解釋過濾的一般原理。

這些篩網(wǎng)過濾器包括從廚房的瀝水盆到生產(chǎn)超純水的膜過濾器的各種過濾系統(tǒng)，同時也包括HVAC系統(tǒng)的纖維空氣過濾器，以及用于無袋真空吸塵器的旋風(fēng)過濾等。“不管這些過濾器用途如何，它們的基本機(jī)制大都相同。”Strother說。

大家都知道，各種顆粒最終會把濾網(wǎng)堵住，所以需要經(jīng)常對其進(jìn)行更換或者清潔。但蝠鲼的過濾機(jī)制很不一樣：它們雖然每天都過濾著海水，但看起來從沒有堵塞的困擾，但它們也并沒有特殊的”反洗裝置“的。它們的濾食系統(tǒng)有何神奇之處呢？

Paig-Tran開始的假設(shè)是當(dāng)水在離開鰓之前先從鰓耙流過。一部分水被導(dǎo)流到這些長得像多米諾骨牌之間的狹窄縫隙中，浮游生物被截留在那些縫隙空隙里。但是由于鰓耙子的巧妙角度，后續(xù)的進(jìn)流也將這些被截留的浮游生物掃進(jìn)蝠鲼的喉嚨。用行話說，這叫交叉流過濾（cross-flow filtration），而通俗點說，這是個可以自我疏通的篩子。

Manta birostris （遠(yuǎn)洋蝠鲼）的鰓耙 | 圖源：Misty Paig-Tran)

但在Paig-Tran和她的學(xué)生Raj Divi以遠(yuǎn)洋蝠鲼（Manta birostris）的鰓耙作為原型創(chuàng)建了一個3D打印的模型進(jìn)行模擬實驗之后，之前的假設(shè)就被推翻了。當(dāng)他們把3D模型放到裝有小蝦卵的水通道后，他們觀察到它可以過濾小于多米諾骨牌間隙的顆粒 - 這是他們意料之外的“特技”。

模擬蝠鲼鰓耙過濾的GIF圖 | 圖源：James Strother

為了更好地跟蹤水流路徑以及個中顆粒的運(yùn)動情況，該團(tuán)隊在水流里加入染料進(jìn)行觀察。他們注意到當(dāng)水撞到每個多米諾骨牌的前端時，它會形成一個旋渦，就像下面視頻展示的那樣：

當(dāng)食物顆粒遇到這些漩渦時，它們會加速。 速度的提升使它們不會滑落到縫隙中。 相反，他們反復(fù)地從一塊多米諾骨牌跳到下一個的頂部，Paig-Tran將這種現(xiàn)象稱為“跳彈分離（ricochet separation）”。這很好地解釋了為什么蝠鲼“吃飯不塞牙”——當(dāng)它們高速游動、張開嘴巴的時候，鰓耙可以自動從水流中提取固體食物，并完成自我清洗。

仿生學(xué)應(yīng)用

"這個報告理清了蝠鲼的過濾機(jī)理。下一步我們將嘗試將它應(yīng)用到工程系統(tǒng)中。" Strother教授說，“未來其中一個方向就是將它用在污水處理上。”

目前，Paig-Tran和她的團(tuán)隊正在開發(fā)基于蝠鲼鰓結(jié)構(gòu)的過濾器，并已注冊了臨時專利。她和俄亥俄托萊多的同事一起合作，希望可以開發(fā)一個去處淡水中的有毒藻類的系統(tǒng)。另外她也想將這種過濾原理應(yīng)用到微塑料的去除上。

盡管大致原理搞懂了，但顯然離第一款工程應(yīng)用的原型還有好長的路要走。祝Paig-Tran和她的團(tuán)隊早日成功。

想了解更多信息的話，可以復(fù)制粘貼以下鏈接下載原文

http://advances.sciencemag.org/content/advances/4/9/eaat9533.full.pdf

參考資料

1.https://www.amazon.com/Blue-Planet-II/dp/B078SXQN39

2.https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/08/ocean-protections-can-trigger-preemptive-fishing-frenzies/568747/

3.https://phys.org/news/2018-09-manta-rays-food-capturing-mechanism-key.html

4.https://www.sciencenews.org/article/manta-rays-have-unusual-mouth-filter-resists-clogging

5.http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat9533

6.http://www.pnas.org/content/114/36/9510

【奧尼卡水處理創(chuàng)新中心】

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