来源：奥尼卡水处理创新中心（微信号：Organica_Water）

 

去年年底，老头子David Attenborough携手BBC为我们献上了年度巨作——《蓝色星球2》。

《蓝色星球2》封面 | 图源：Amazon

在这出美轮美奂的纪录片里，小编认识了许多匪夷所思的新物种。其中有一个外貌独特的海洋动物让小编印象深刻，它叫Manta Ray，中文名字是蝠鲼。请原谅小编的孤陋寡闻，在此之前小编真的没听过这个神奇的动物。

一只在游泳的蝠鲼 | 图源：theatlantic.com

也许有读者问，这不就是“魔鬼鱼”吗？实不相瞒，小编对此一知半解。对于这些专业的讨论，小编找来了一篇来自公众号“NBDIVE”的推文《爱Manta,就来了解它！》，里边的作者基本上将小编讲不清的蝠鲼分类都说清楚了。

小编今天之所以要谈蝠鲼，是因为它也许能解决水处理界的过滤技术的老大难问题——滤孔堵塞。

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魔鬼鱼启发人类发明新过滤膜？

所谓“存在即合理”，有研究表明蝠鲼是长寿的动物，最多能活超过100年。其翼式体型以及将呼吸和进食合二为一的滤食方式，显示了它物种进化的先进性。蝠鲼觅食的时候，会张开它巨大的嘴巴，海水流进它们的大嘴巴，经过五对鳃弓(gill arches)上的鳃耙(gill rakers)的过滤，把小小的浮游生物留下，其余的海水又会从鳃裂(gill slits)流走。

蝠鲼的鳃弓 | 图源：STEVE KAJIURA/theatlantic.com

鳃裂

神奇的过滤系统

现在就职于加州州立大学富尔顿分校（California State University at Fullerton) 的Misty Paig-Tran早在十年前就开始研究蝠鲼了。最初她想知道蝠鲼在游泳的同时都会做什么。她想过往它们嘴里放个摄像机，但这并不奏效。“蝠鲼非常的灵活和聪明，”她说，“它们是脑袋和身型比最大的鱼类，而且它们不喜欢被打扰。”锲而不舍的她去过三个不同的自然历史博物馆去查看蝠鲼标本，她和她的同事尤其想知道蝠鲼截留食物的特殊部位的构造。

她和另外两位研究者将研究成果发表在9月份的Science Advances上。他们表示，蝠鲼这种“新颖”的滤食方式，可能是开发更好的工业过滤系统的关键。

《蝠鲼弹跳分离的觅食方式-新型防堵塞的过滤机制》 | 图源：Science Advances

“筛网是最常见的过滤器类型。流体中粒径大于筛网孔径的颗粒被过滤膜截留。”这个研究报告的共同作者，俄勒冈州立大学的生物学助理教授Jim Strother解释过滤的一般原理。

这些筛网过滤器包括从厨房的沥水盆到生产超纯水的膜过滤器的各种过滤系统，同时也包括HVAC系统的纤维空气过滤器，以及用于无袋真空吸尘器的旋风过滤等。“不管这些过滤器用途如何，它们的基本机制大都相同。”Strother说。

大家都知道，各种颗粒最终会把滤网堵住，所以需要经常对其进行更换或者清洁。但蝠鲼的过滤机制很不一样：它们虽然每天都过滤着海水，但看起来从没有堵塞的困扰，但它们也并没有特殊的”反洗装置“的。它们的滤食系统有何神奇之处呢？

Paig-Tran开始的假设是当水在离开鳃之前先从鳃耙流过。一部分水被导流到这些长得像多米诺骨牌之间的狭窄缝隙中，浮游生物被截留在那些缝隙空隙里。但是由于鳃耙子的巧妙角度，后续的进流也将这些被截留的浮游生物扫进蝠鲼的喉咙。用行话说，这叫交叉流过滤（cross-flow filtration），而通俗点说，这是个可以自我疏通的筛子。

Manta birostris （远洋蝠鲼）的鳃耙 | 图源：Misty Paig-Tran)

但在Paig-Tran和她的学生Raj Divi以远洋蝠鲼（Manta birostris）的鳃耙作为原型创建了一个3D打印的模型进行模拟实验之后，之前的假设就被推翻了。当他们把3D模型放到装有小虾卵的水通道后，他们观察到它可以过滤小于多米诺骨牌间隙的颗粒 - 这是他们意料之外的“特技”。

模拟蝠鲼鳃耙过滤的GIF图 | 图源：James Strother

为了更好地跟踪水流路径以及个中颗粒的运动情况，该团队在水流里加入染料进行观察。他们注意到当水撞到每个多米诺骨牌的前端时，它会形成一个旋涡，就像下面视频展示的那样：

当食物颗粒遇到这些漩涡时，它们会加速。 速度的提升使它们不会滑落到缝隙中。 相反，他们反复地从一块多米诺骨牌跳到下一个的顶部，Paig-Tran将这种现象称为“跳弹分离（ricochet separation）”。这很好地解释了为什么蝠鲼“吃饭不塞牙”——当它们高速游动、张开嘴巴的时候，鳃耙可以自动从水流中提取固体食物，并完成自我清洗。

仿生学应用

"这个报告理清了蝠鲼的过滤机理。下一步我们将尝试将它应用到工程系统中。" Strother教授说，“未来其中一个方向就是将它用在污水处理上。”

目前，Paig-Tran和她的团队正在开发基于蝠鲼鳃结构的过滤器，并已注册了临时专利。她和俄亥俄托莱多的同事一起合作，希望可以开发一个去处淡水中的有毒藻类的系统。另外她也想将这种过滤原理应用到微塑料的去除上。

尽管大致原理搞懂了，但显然离第一款工程应用的原型还有好长的路要走。祝Paig-Tran和她的团队早日成功。

想了解更多信息的话，可以复制粘贴以下链接下载原文

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

参考资料

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

【奥尼卡水处理创新中心】

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