Gli ingegneri hanno fabbricato un semplice filtro per l’acqua modellato sulle caratteristiche di filtraggio del plancton della mobula.
Fabbricato un semplice filtro per l’acqua ispirato al meccanismo di filtraggio della mobula, una famiglia di razze acquatiche che comprende due specie di mante e sette razze diavoli
La filtrazione è essenziale per una vita moderna e sana e per molti processi industriali. Nella progettazione del filtro, permeabilità e selettività sono entrambe desiderabili e vengono selezionate in seguito ad analisi di compromesso. L'apparato di filtraggio dei raggi mobula assomiglia ai filtri incrociati industriali ma funziona con un regime di parametri diverso. I filtratori sono ovunque nel mondo animale, dai minuscoli crostacei e alcuni tipi di coralli e krill, a vari molluschi, cirripedi e persino enormi squali elefante e misticeti. Ora, gli ingegneri del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno scoperto che un filtro alimentatore si è evoluto per setacciare il cibo in modi che potrebbero migliorare la progettazione dei filtri dell’acqua industriali.
I raggi Mobula hanno sviluppato strutture filtranti a forma di foglia per separare le particelle di cibo dall'acqua di mare, che funzionano in modo simile ai filtri industriali a flusso incrociato. A differenza della filtrazione a flusso tangenziale, dove permeabilità e selettività sono progettate razionalmente seguendo analisi di compromesso, le forze trainanti alla base dell’evoluzione della geometria del filtro mobula sono rimaste sfuggenti.
In un articolo apparso negli Atti della National Academy of Sciences (1), il team caratterizza il meccanismo di filtraggio della mobula, una famiglia di razze acquatiche che comprende due specie di mante e sette razze diavoli. Le razze mobula si nutrono nuotando a bocca aperta attraverso le regioni dell'oceano ricche di plancton e filtrando le particelle di plancton nella loro gola mentre l'acqua scorre nelle loro bocche ed esce attraverso le branchie.
Il pavimento della bocca della razza mobula è rivestito su entrambi i lati da strutture parallele a forma di pettine, chiamate placche, che convogliano l’acqua nelle branchie della razza. Il team del MIT ha dimostrato che le dimensioni di queste placche possono consentire al plancton in arrivo di rimbalzare attraverso le placche e ulteriormente nella cavità della razza, anziché uscire attraverso le branchie. Inoltre, le branchie della razza assorbono l’ossigeno dall’acqua che defluisce, aiutandola a respirare contemporaneamente mentre si nutre.
«Abbiamo dimostrato che la mobula ha evoluto la geometria di queste placche per raggiungere le dimensioni perfette per bilanciare l'alimentazione e la respirazione», afferma l'autrice dello studio Anette “Peko” Hosoi (2), professoressa di ingegneria meccanica di Pappalardo al MIT.
Gli ingegneri hanno fabbricato un semplice filtro per l’acqua modellato sulle caratteristiche di filtraggio del plancton della mobula. Hanno studiato il modo in cui l’acqua scorreva attraverso il filtro quando era dotato di strutture simili a piastre stampate in 3D. Il team ha preso i risultati di questi esperimenti e ha elaborato un progetto, che secondo loro i progettisti possono utilizzare per ottimizzare i filtri industriali a flusso incrociato, che sono sostanzialmente simili nella configurazione a quello del raggio della mobula.
«Vogliamo espandere lo spazio di progettazione della tradizionale filtrazione a flusso incrociato con nuove conoscenze provenienti dalla manta», afferma l’autore principale e postdoc del MIT Xinyu Mao PhD (3). «Le persone possono scegliere un regime di parametri del raggio mobula in modo da poter potenzialmente migliorare le prestazioni complessive del filtro».
Hosoi e Mao sono coautori del nuovo studio insieme a Irmgard Bischofberger, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.
Un compromesso migliore
Il nuovo studio è nato dall’attenzione del gruppo sulla filtrazione durante il culmine della pandemia, quando i ricercatori stavano progettando maschere facciali per filtrare il virus. Da allora, Mao ha spostato l’attenzione sullo studio della filtrazione negli animali e su come alcuni meccanismi di alimentazione dei filtri potrebbero migliorare i filtri utilizzati nell’industria, come negli impianti di trattamento delle acque.
Il dottor Xinyu Mao ha osservato che qualsiasi filtro industriale deve trovare un equilibrio tra permeabilità (quanto facilmente il fluido può fluire attraverso un filtro) e selettività (quanto riesce un filtro a trattenere le particelle di una dimensione target). Ad esempio, una membrana costellata di grandi fori potrebbe essere altamente permeabile, il che significa che è possibile pompare molta acqua utilizzando pochissima energia. Tuttavia, i grandi fori della membrana lascerebbero passare molte particelle, rendendola molto bassa in selettività. Allo stesso modo, una membrana con pori molto più piccoli sarebbe più selettiva ma richiederebbe anche più energia per pompare l’acqua attraverso le aperture più piccole.
«Ci siamo chiesti: come possiamo migliorare questo compromesso tra permeabilità e selettività?» La dottoressa Hosoi dice.
Osservando gli animali che si nutrono con filtri, il dottor Mao scoprì che la razza mobula ha raggiunto un equilibrio ideale tra permeabilità e selettività: la razza è altamente permeabile, nel senso che può far entrare l'acqua nella bocca e fuoriuscire attraverso le branchie abbastanza velocemente da catturare l'ossigeno. Allo stesso tempo, è altamente selettiva, filtra e si nutre di plancton invece di lasciare che le particelle fuoriescano attraverso le branchie.
I ricercatori si sono resi conto che le caratteristiche di filtraggio dei raggi sono sostanzialmente simili a quelle dei filtri incrociati industriali. Questi filtri sono progettati in modo tale che il fluido scorra attraverso una membrana permeabile che lascia passare la maggior parte del fluido, mentre eventuali particelle inquinanti continuano a fluire attraverso la membrana e infine fuoriescono in un serbatoio di rifiuti.
Il team si è chiesto se il raggio della mobula potesse ispirare miglioramenti nella progettazione dei filtri industriali a flusso incrociato. Per questo, hanno approfondito la dinamica della filtrazione dei raggi mobula.
Un vortice peculiare
Come parte del loro nuovo studio, il team ha fabbricato un semplice filtro ispirato al raggio della mobula. Il design del filtro è quello che gli ingegneri chiamano un “canale che perde” – in effetti, un tubo con fori lungo i lati. In questo caso, il “canale” della squadra è costituito da due piastre acriliche piatte e trasparenti, incollate insieme ai bordi, con una leggera apertura tra le piastre attraverso la quale è possibile pompare il fluido. A un’estremità del canale, i ricercatori hanno inserito strutture stampate in 3D che ricordano le piastre scanalate allineate lungo il pavimento della bocca della mobula.
Il team ha poi pompato l’acqua attraverso il canale a varie velocità, insieme a liquidi colorati per visualizzare il flusso. Hanno scattato immagini attraverso il canale e hanno osservato una transizione interessante: a velocità di pompaggio lente, il flusso era “molto tranquillo” e il fluido scivolava facilmente attraverso le scanalature delle lastre stampate e fuori in un serbatoio. Quando i ricercatori aumentavano la velocità di pompaggio, il fluido che scorreva più velocemente non scivolava, ma sembrava turbinare all’imboccatura di ciascuna scanalatura, creando un vortice, simile a un piccolo nodo di capelli tra le punte dei denti di un pettine.
«Questo vortice non blocca l'acqua, ma blocca le particelle», spiega la dottoressa Hosoi. «Mentre in un flusso più lento, le particelle attraversano il filtro con l’acqua, a portate più elevate, le particelle cercano di attraversare il filtro ma vengono bloccate da questo vortice e vengono invece lanciate lungo il canale. Il vortice è utile perché impedisce alle particelle di fuoriuscire».
Il team ha ipotizzato che i vortici siano la chiave della capacità di filtrazione dei raggi della mobula. La razza è in grado di nuotare alla velocità giusta affinché l'acqua, scorrendo nella sua bocca, possa formare vortici tra le placche scanalate. Questi vortici bloccano efficacemente qualsiasi particella di plancton, anche quelle più piccole dello spazio tra le piastre. Le particelle poi rimbalzano sulle piastre e si dirigono ulteriormente nella cavità della razza, mentre il resto dell’acqua può ancora fluire tra le piastre e fuori attraverso le branchie.
I ricercatori hanno utilizzato i risultati dei loro esperimenti, insieme alle dimensioni delle caratteristiche di filtraggio dei raggi della mobula, con l'intento di sviluppare un progetto per la filtrazione a flusso incrociato.
«Abbiamo fornito una guida pratica su come filtrare effettivamente come fa il raggio della mobula», dice Mao.
«Vuoi progettare un filtro in modo tale da trovarti nel regime in cui si generano vortici», afferma Hosoi. «Le nostre linee guida ti dicono: se vuoi che il tuo impianto pompi a una certa velocità, il tuo filtro deve avere un diametro dei pori e una spaziatura particolari per generare vortici che filtreranno le particelle di queste dimensioni. Il raggio della mobula ci sta fornendo un’ottima regola empirica per una progettazione razionale».
Questo lavoro è stato sostenuto, in parte, dal National Institutes of Health degli Stati Uniti e dall’Harvey P. Greenspan Fellowship Fund.
Riferimenti:
(1) Permeability–selectivity trade-off for a universal leaky channel inspired by mobula filters
(3) Xinyu Mao
Descrizione foto: Gli ingegneri hanno fabbricato un semplice filtro per l’acqua modellato sulle caratteristiche di filtraggio del plancton della mobula. Nella foto ci sono pezzi del filtro. - Credit: Jennifer Chu.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: To design better water filters, MIT engineers look to manta rays