Что рыбы могут рассказать инженерам о создании незасоряющихся фильтров?
Рыбы-фильтраторы, такие как золотые рыбки, менхэдены и гигантские акулы, решают задачу, недоступную человеческим технологиям: они отфильтровывают микроскопические водоросли или планктон из огромных объёмов воды, не засоряя свои ротовые фильтры.
Наше исследование, опубликованное в Nature Communications, объединяет подходы из биомеханики, медицины и экологии, чтобы понять, как рыбы удерживают и транспортируют пищу во рту. Цель — получить идеи и данные для улучшения аквакультуры, охраны природы и промышленной фильтрации.
Поперечная (кросс-флоу) фильтрация у рыб и в промышленности
Ранее считалось, что рыбы используют жаберные тычинки как «глухие» сита (как дуршлаг), которые неизбежно засоряются. Однако в 2001 году с помощью медицинского эндоскопа было обнаружено, что многие виды используют кросс-флоу фильтрацию.
При таком механизме основной поток воды («кросс-флоу») движется параллельно поверхности фильтра, смывая частицы и предотвращая засорение пор, через которые проходит лишь часть отфильтрованной воды. Этот принцип уже используется в промышленности для очистки сточных вод, производства фармацевтики, молочных продуктов, пива и соков.
Однако даже промышленные кросс-флоу фильтры со временем засоряются и требуют дорогостоящей промывки. Поэтому мы снова обратились к рыбам, чья эволюция длится миллионы лет.
Биомиметические модели рыбьих ртов
Мы изучили базовую структуру: жаберные тычинки («фильтры») крепятся к жаберным дугам — хрящевым или костным «рёбрам» во рту рыбы. Ранее влияние этих дуг на потоки воды не рассматривалось.
Для исследования мы создали физические 3D-модели ртов веслоноса и гигантской акулы на основе CAD-проектов. Модели представляли собой пластиковые конусы, где роль жаберных дуг играли высокие «рёбра», покрытые нейлоновой сеткой. Эти рёбра, расположенные друг за другом, создавали серию обратных уступов.
Когда вода обтекает такой уступ, автоматически образуется вихрь. Именно эти непрерывно формирующиеся вихри в канавках между рёбрами обычно избегаются инженерами как дестабилизирующий фактор.
Эксперименты проводились в потоковой камере, где стационарные модели «питались» частицами разного размера, формы и плотности при различной скорости потока.
Вихревая кросс-степ фильтрация у рыб
Вода, проходя над обратными уступами в наших моделях, формировала чёткий вихрь в желобке между каждой парой рёбер. Мы спроектировали дополнительные структуры, чтобы контролировать движение этих вихрей.
Высокие скорости сдвига вокруг вихрей очищали сетку от частиц, предотвращая засорение. Мы смогли направить вихри так, чтобы они переносили частицы ко «дну» модели. Это показывает, что рыбы могут использовать такую систему как «гидродинамический язык» для перемещения пищи.
Эксперименты с сохранёнными веслоносами из аквакультурной компании подтвердили формирование аналогичных вихрей, концентрирующих частицы во рту.
Этот новый метод, названный нами «вихревой кросс-степ фильтрацией», оставался эффективным даже при повреждении или отсутствии значительной части сетки на модели — подобно тому, как рыбы могут питаться при повреждённых или растущих жаберных тычинках.
Будущее кросс-степ фильтрации
Наши биомиметические модели демонстрируют, что уникальное расположение инженерных структур (рёбер-уступов) позволяет управлять вихревыми потоками для удержания и транспортировки мельчайших частиц.
Этот принцип может быть применим не только к рыбам, но и к уткам-фильтраторам, усатым китам и скатам манта.
Понимание роли вихрей в фильтрации у рыб открывает новые направления для разработки: