自人類創(chuàng)造性活動(dòng)開始以來(lái)，大自然一直是靈感的源泉。南達(dá)科他州立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授賽卡特·巴蘇(Saikat Basu)仍然如此，他從豬的鼻子中汲取靈感，研究改善空氣過(guò)濾的方法。

“研究人員尚未嘗試設(shè)計(jì)基于表達(dá)的工程過(guò)濾和熱調(diào)節(jié)設(shè)備，更具體地說(shuō)，從吸入空氣中捕獲顆粒的趨勢(shì)以及從鼻組織到空氣的傳熱現(xiàn)象，在這種動(dòng)物的鼻子中看到，”巴蘇解釋說(shuō)。“這是一個(gè)新奇的想法。”

豬(Sus homeus)是最早被馴化的動(dòng)物之一?？脊抛C據(jù)表明，豬在中國(guó)被馴化，8年前是野豬，000多年前在現(xiàn)在的埃及地區(qū)。從那時(shí)起，這種動(dòng)物——尤其是豬的鼻子——已經(jīng)進(jìn)化到適應(yīng)各種氣候。

鼻子(豬的鼻子)在人類和動(dòng)物中都起著非常重要的作用。鼻子是任何生物體環(huán)境相互作用的關(guān)鍵組成部分。當(dāng)吸入空氣時(shí)，鼻子通過(guò)鼻腔和氣道加熱空氣，以保護(hù)關(guān)鍵的內(nèi)臟器官。人類和豬都是如此。此外，鼻腔是抵御空氣傳播病原體、疾病、細(xì)菌和其他外部顆粒的第一道防線。蜿蜒的鼻腔和由此產(chǎn)生的復(fù)雜氣流模式有助于捕獲顆粒和過(guò)濾空氣。

因?yàn)樨i傾向于從灰塵很多的地方吃東西，所以鼻子必須特別擅長(zhǎng)過(guò)濾有害顆粒。豬還必須適應(yīng)各種氣候，形成形態(tài)復(fù)雜的鼻結(jié)構(gòu)。對(duì)于生活在南達(dá)科他州的豬來(lái)說(shuō)，鼻子在加熱寒冷的吸入空氣方面變得非常有效。

“即使作為人類，我們也需要在將空氣吸入肺部之前加熱空氣，”巴蘇說(shuō)。“生活在較冷氣候中的動(dòng)物由于氣道而更有效地變暖空氣。

如果你將豬的鼻子與人的鼻子進(jìn)行比較——尤其是竇腔附近的橫截面——豬的鼻子更加突出和曲折。

“這是我們想要研究這種動(dòng)物的原因之一，”巴蘇說(shuō)。“我們想看看該區(qū)域的復(fù)雜形態(tài)是否以某種方式有所幫助，或者它們是否正在影響流體力學(xué)。我們還想看看這是否可以與1號(hào)空氣顆粒過(guò)濾和2號(hào)傳熱相關(guān)。

該研究最近發(fā)表在《綜合與比較生物學(xué)》上。

空氣過(guò)濾器

近年來(lái)，改善空氣過(guò)濾一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。由于 COVID-19 大流行，了解過(guò)濾如何更好地捕獲有害顆粒的研究重點(diǎn)有所增加。在之前與該項(xiàng)目相關(guān)的研究中，巴蘇研究了改善口罩內(nèi)部過(guò)濾的方法。

“以前，我們正在努力設(shè)計(jì)面罩中的過(guò)濾器，這種過(guò)濾器與動(dòng)物的氣道一樣復(fù)雜，”巴蘇補(bǔ)充道。

在這個(gè)項(xiàng)目中，巴蘇與康奈爾大學(xué)的一名教員Sunghwan Jung以及諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的一名教員Leonardo Chamorro合作。此前，該團(tuán)隊(duì)曾合作開展NSF支持的項(xiàng)目，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了受動(dòng)物鼻子啟發(fā)的過(guò)濾器，包括豬，負(fù)鼠和狗。這個(gè)項(xiàng)目是他們以前工作的一個(gè)分支。

在空氣過(guò)濾器方面，高效微?？諝?HEPA)過(guò)濾器是目前的黃金標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的說(shuō)法，這些過(guò)濾器理論上可以去除至少99.97%的灰塵，花粉，霉菌，細(xì)菌和任何尺寸為.3微米的空氣中的顆粒。根據(jù)Basu的說(shuō)法，HEPA過(guò)濾器的挑戰(zhàn)在于它們沒有達(dá)到應(yīng)有的能源效率。因此，需要設(shè)計(jì)一種既能去除有害顆粒又能節(jié)能的空氣過(guò)濾器。

合作研究

康奈爾大學(xué)的研究人員對(duì)豬進(jìn)行了CT掃描，并描述了它們鼻子的幾何形狀，這為巴蘇和他的研究團(tuán)隊(duì)提供了設(shè)計(jì)可以模擬氣流和傳熱模擬的過(guò)濾器模型的藍(lán)圖。UIUC的團(tuán)隊(duì)對(duì)Basu的數(shù)值建模研究進(jìn)行了后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

模擬的主要發(fā)現(xiàn)之一是解剖結(jié)構(gòu)中區(qū)域之間的傳熱差異。當(dāng)空氣進(jìn)入鼻子時(shí)，會(huì)有很高的傳熱，但隨著空氣通過(guò)鼻腔通道，這種傳熱會(huì)逐漸消失。

“隨著空氣進(jìn)一步進(jìn)入鼻腔，傳熱下降，”巴蘇說(shuō)。“這意味著空氣正在達(dá)到周圍溫暖組織的溫度。

巴蘇發(fā)現(xiàn)，基于豬鼻子的模型提供了大量的傳熱 - 這是空調(diào)過(guò)濾器的關(guān)鍵元素 - 并且能夠捕獲幾乎所有超過(guò)10微米的顆粒。然而，隨著顆粒變小(低于10微米)，捕獲顆粒的效率下降，Basu解釋說(shuō)。

“缺點(diǎn)是，如果我們看一下顆粒尺寸，兩微米，四微米，甚至可能是五和六微米，就過(guò)濾多少顆粒而言，效率相當(dāng)?shù)停?rdquo;巴蘇說(shuō)。“如果你看看HEPA過(guò)濾器，這些顆粒也會(huì)被捕獲，但如果你看看我們的生物啟發(fā)模型設(shè)計(jì)，它們就不會(huì)被捕獲。

這是一個(gè)關(guān)鍵問題仍然存在的領(lǐng)域 - 就空氣粒子研究而言。例如，10歲以下的微米是否需要被空氣過(guò)濾器捕獲才能免受病毒感染?

根據(jù)巴蘇和其他人之前的研究，較小的微米 - 低于五微米 - 在它們可以攜帶多少病毒載量方面并不占主導(dǎo)地位。如果對(duì)有害空氣顆粒的進(jìn)一步研究一致認(rèn)為，“較小”微米(低于10微米)在病毒載量方面無(wú)害，這些病毒載量可以引發(fā)暴露的人體呼吸道感染，那么Basu的設(shè)計(jì)可以捕獲尺寸為10微米或更大的顆粒，可以以比HEPA過(guò)濾器更低的能耗率運(yùn)行， 同時(shí)仍提供相同水平的安全性。

“我們基本上是在我們想要捕獲的粒子之間進(jìn)行優(yōu)化，”巴蘇說(shuō)。“這些設(shè)計(jì)受到大自然的啟發(fā)，從我們最初的研究中，我們看到這些設(shè)計(jì)在吸入空氣并將空氣與這些有害顆粒分離的同時(shí)將是節(jié)能的。

正如巴蘇所指出的那樣，他的團(tuán)隊(duì)的研究與空氣過(guò)濾器行業(yè)的生產(chǎn)之間存在巨大差距，但令人興奮的是看到這一發(fā)展的科學(xué)存在。

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