研究人员从猪鼻子中汲取灵感 设计出新颖的空气过滤技术

自人类创造性活动开始以来，大自然一直是灵感的源泉。南达科他州立大学机械工程系助理教授赛卡特·巴苏(Saikat Basu)仍然如此，他从猪的鼻子中汲取灵感，研究改善空气过滤的方法。

“研究人员尚未尝试设计基于表达的工程过滤和热调节设备，更具体地说，从吸入空气中捕获颗粒的趋势以及从鼻组织到空气的传热现象，在这种动物的鼻子中看到，”巴苏解释说。“这是一个新奇的想法。”

猪(Sus homeus)是最早被驯化的动物之一。考古证据表明，猪在中国被驯化，8年前是野猪，000多年前在现在的埃及地区。从那时起，这种动物——尤其是猪的鼻子——已经进化到适应各种气候。

鼻子(猪的鼻子)在人类和动物中都起着非常重要的作用。鼻子是任何生物体环境相互作用的关键组成部分。当吸入空气时，鼻子通过鼻腔和气道加热空气，以保护关键的内脏器官。人类和猪都是如此。此外，鼻腔是抵御空气传播病原体、疾病、细菌和其他外部颗粒的第一道防线。蜿蜒的鼻腔和由此产生的复杂气流模式有助于捕获颗粒和过滤空气。

因为猪倾向于从灰尘很多的地方吃东西，所以鼻子必须特别擅长过滤有害颗粒。猪还必须适应各种气候，形成形态复杂的鼻结构。对于生活在南达科他州的猪来说，鼻子在加热寒冷的吸入空气方面变得非常有效。

“即使作为人类，我们也需要在将空气吸入肺部之前加热空气，”巴苏说。“生活在较冷气候中的动物由于气道而更有效地变暖空气。

如果你将猪的鼻子与人的鼻子进行比较——尤其是窦腔附近的横截面——猪的鼻子更加突出和曲折。

“这是我们想要研究这种动物的原因之一，”巴苏说。“我们想看看该区域的复杂形态是否以某种方式有所帮助，或者它们是否正在影响流体力学。我们还想看看这是否可以与1号空气颗粒过滤和2号传热相关。

该研究最近发表在《综合与比较生物学》上。

空气过滤器

近年来，改善空气过滤一直是研究人员关注的焦点。由于 COVID-19 大流行，了解过滤如何更好地捕获有害颗粒的研究重点有所增加。在之前与该项目相关的研究中，巴苏研究了改善口罩内部过滤的方法。

“以前，我们正在努力设计面罩中的过滤器，这种过滤器与动物的气道一样复杂，”巴苏补充道。

在这个项目中，巴苏与康奈尔大学的一名教员Sunghwan Jung以及诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一名教员Leonardo Chamorro合作。此前，该团队曾合作开展NSF支持的项目，该项目设计了受动物鼻子启发的过滤器，包括猪，负鼠和狗。这个项目是他们以前工作的一个分支。

在空气过滤器方面，高效微粒空气(HEPA)过滤器是目前的黄金标准。根据美国环境保护署的说法，这些过滤器理论上可以去除至少99.97%的灰尘，花粉，霉菌，细菌和任何尺寸为.3微米的空气中的颗粒。根据Basu的说法，HEPA过滤器的挑战在于它们没有达到应有的能源效率。因此，需要设计一种既能去除有害颗粒又能节能的空气过滤器。

合作研究

康奈尔大学的研究人员对猪进行了CT扫描，并描述了它们鼻子的几何形状，这为巴苏和他的研究团队提供了设计可以模拟气流和传热模拟的过滤器模型的蓝图。UIUC的团队对Basu的数值建模研究进行了后续实验验证。

模拟的主要发现之一是解剖结构中区域之间的传热差异。当空气进入鼻子时，会有很高的传热，但随着空气通过鼻腔通道，这种传热会逐渐消失。

“随着空气进一步进入鼻腔，传热下降，”巴苏说。“这意味着空气正在达到周围温暖组织的温度。

巴苏发现，基于猪鼻子的模型提供了大量的传热 - 这是空调过滤器的关键元素 - 并且能够捕获几乎所有超过10微米的颗粒。然而，随着颗粒变小(低于10微米)，捕获颗粒的效率下降，Basu解释说。

“缺点是，如果我们看一下颗粒尺寸，两微米，四微米，甚至可能是五和六微米，就过滤多少颗粒而言，效率相当低，”巴苏说。“如果你看看HEPA过滤器，这些颗粒也会被捕获，但如果你看看我们的生物启发模型设计，它们就不会被捕获。

这是一个关键问题仍然存在的领域 - 就空气粒子研究而言。例如，10岁以下的微米是否需要被空气过滤器捕获才能免受病毒感染?

根据巴苏和其他人之前的研究，较小的微米 - 低于五微米 - 在它们可以携带多少病毒载量方面并不占主导地位。如果对有害空气颗粒的进一步研究一致认为，“较小”微米(低于10微米)在病毒载量方面无害，这些病毒载量可以引发暴露的人体呼吸道感染，那么Basu的设计可以捕获尺寸为10微米或更大的颗粒，可以以比HEPA过滤器更低的能耗率运行， 同时仍提供相同水平的安全性。

“我们基本上是在我们想要捕获的粒子之间进行优化，”巴苏说。“这些设计受到大自然的启发，从我们最初的研究中，我们看到这些设计在吸入空气并将空气与这些有害颗粒分离的同时将是节能的。

正如巴苏所指出的那样，他的团队的研究与空气过滤器行业的生产之间存在巨大差距，但令人兴奋的是看到这一发展的科学存在。

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