受滤食性鱼类启发的抗堵塞过滤系统
传统过滤器的问题在于，它们无法在不堵塞的情况下完成工作。
William & 玛丽鱼鱼学家劳里·桑德森（Laurie Sanderson）正在申请一项新型过滤器的专利，该过滤器的设计是无堵塞的，或者至少是抗堵塞的。该设计基于滤食性鱼类的流体动力学。她和几位威廉玛丽学院的本科生一起，在《自然通讯》上发表了一篇介绍鱼类过滤机制的论文。
如果你想想我们用来煮咖啡或炉子的过滤器，那么桑德森的设计看起来根本不像一个过滤器。传统过滤器的工作原理是将颗粒物从水流中过滤出来，这种过滤器需要更换或清洗。通过比较，桑德森的横流过滤设计工作原理集中的颗粒。它通过一个结构引导和循环液体流动，这个结构对任何窥视过鱼食道的人来说都很熟悉。她把这个过程称为跨步骤过滤。
“我不是建议我们重新设计汽车，”桑德森说。“但是，举个例子：如果你能设计出一种机油过滤器，它不会堵塞，也不需要更换，而是把浓缩的颗粒流送到一个方向，把干净的机油送到另一个方向，那会怎么样？”
她解释说，虽然该工艺在汽车机油过滤中不实用，但横流过滤在工业上有很多应用，跨步工艺可能是一种改进。
桑德森说：“在工业中有很多情况下，我们需要做一些与这些滤食性鱼类所做的非常相似的事情。”“例如，在乳制品或果汁的过滤过程中，我们将硬物——果肉、一些凝固的奶制品——从液体中分离出来。
“但这是当今工业的情况，”她继续说。“有一个过滤器，而这个过滤器总是堵塞。”
桑德森是威廉玛丽大学生物系的教授，她说她花了30年的时间研究鱼的嘴，试图破译在她所谓的滤食性鱼的“黑盒子”里发生的无堵塞流体工程的秘密。她说，许多鱼类都是滤食性的，从最大的鱼类鲸鲨到切萨皮克湾重要的商业物种鲱鱼。甚至金鱼也是滤食性动物。
她将金鱼描述为兼性滤食性动物，这种鱼会把水泵进嘴里。相比之下，白鲟和姥鲨是公羊滤食性动物，它们张大嘴巴在水中游泳。对于桑德森和她的佳博体育来说，一旦富含营养的液体进入鱼嘴里，摄入策略的重要性不如黑盒子里发生的事情。
她说：“当你观察一条活鱼时，水和微粒会进入这个黑盒子，然后只有水从头部两侧流出。”“所以，水和微粒进入口腔。然后，一些神秘的事情发生了。”
桑德森使用了许多科学工具来探索滤食黑盒子的奥秘。
“在20世纪90年代，我想知道，如果我们能在鱼进食的时候看到那个黑匣子，会发生什么，”她说。“所以我们开发了一种使用微型光纤内窥镜的技术。”
她使用了一个直径不到一毫米的耳、鼻、喉内窥镜。桑德森说：“我们马上看到的是，鱼嘴并没有像我们想象的那样过滤。”当时的理解是，黑盒子结构就像意大利面过滤器或咖啡过滤器一样，是一个死角筛。
“这不是我们用内窥镜看到的，”她说。“我们看到流体和颗粒平行于过滤器移动。到21世纪初，我们将内窥镜与计算流体动力学相结合，并意识到多种鱼类正在使用横流过滤。然而，这又制造了另一个难题，因为鱼的横流过滤器从来不会堵塞，尽管工业的横流过滤器总是堵塞。”
桑德森的合著者自然通讯他们分别是16岁的Erin Roberts， 16岁的Jill Lineburg和16岁的Hannah Brooks，他们是W&M大学生物学专业的学生，在完成内窥镜检查和计算流体动力学的工作后加入了佳博体育。
罗伯茨是三位共同作者中第一个加入佳博体育的学生，从大二开始。她帮助桑德森在米林顿的地下室建了一个储气罐用于下一阶段的调查。佳博体育成员研究了流动箱中保存的白鲟——真正的鱼离开了标本制作师的工作台，嘴巴张得很大，处于喂食的位置。
白鲟标本流槽试验为鱼类口腔模型的设计和3d打印提供了补充；罗伯茨指出，这些活动涉及大量的流体动力学和物理学。桑德森和他的佳博体育正试图对鱼类使用的高效过滤漏斗行为进行逆向工程。
流动箱揭示了更多流体通过黑匣子时的行为。罗伯茨解释说，当摄像机通过保存的白鲟或3d模型捕捉粒子或染料的运动时，水箱允许研究人员调整水流的速度。引入卤虾卵作为颗粒。
桑德森解释说，白鲟和姥鲨的口腔由一组被称为鳃弓的骨结构和它们之间的凹槽组成。当你走向鱼的背部时，这些拱形的大小以精确的比例下降。桑德森说，黑盒子的很大一部分功能在于拱形/槽形排列如何形成“向后的台阶”，在每个台阶后面形成一组漩涡，或再循环区域。
她解释说：“鱼利用这些向后的台阶和由此产生的再循环区域来操纵和浓缩颗粒。”这些涡流也起到了“流体动力舌”的作用，使浓缩的颗粒在系统中流动而不会堵塞。
桑德森说：“这对工业来说可能是有用的。”其他过滤器使用各种旋钮、挡板、脊状和波纹状。工程师们在设计横流过滤器和其他类型的过滤器方面非常聪明。”
William & 玛丽的技术转移主管杰森·麦克德维特（Jason McDevitt）指出，桑德森的设计与众不同，足以申请专利。桑德森说，她的概念的一个优点是，它可以用来设计过滤器，以一种可控的方式分离出粒子，将粒子引导到任何想要的方向。
“理论上，你甚至可以从粒子流中分离出不同大小的粒子，”她说，“这样就可以把大粒子往一个方向发射，把小粒子往另一个方向发射。”
桑德森的佳博体育继续研究黑盒问题的其他方面。布鲁克斯正在更详细地研究白鲟的喂养，而莱恩伯格正在继续对金鱼的研究，训练它们吃各种类型的颗粒。莱恩伯格解释说：“我们正在使用录像带，试图深入了解它们口腔中处理这些颗粒的机制。”
桑德森说，她的跨步骤过程有可能在许多应用和规模上有所帮助，从微小的细胞大小的颗粒过滤器到巨大的工业管道。
她说：“这些再循环区域，在任何障碍物后面，特别是在一个向后的台阶后面，基本上可以在任何机械尺度上形成，包括微型血泵，甚至动脉和其他血管中的支架。”
麦克德维特的工作是帮助威廉玛丽公司的科学发现从佳博体育转移到市场，他说他对桑德森工作的潜力持乐观态度。
麦克德维特说：“这是仿生技术的一个很好的例子，它可能比目前最先进的技术有显著的优势。”“我们特别希望这项技术能够商业化，并广泛用于横流过滤。”
