自人類創(chuàng)造性活動開始以來，大自然一直是靈感的源泉。南達科他州立大學機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，研究改善空氣過濾的方法。

“研究人員尚未嘗試設計基于表達的工程過濾和熱調節(jié)設備，更具體地說，從吸入空氣中捕獲顆粒的趨勢以及從鼻組織到空氣的傳熱現(xiàn)象，在這種動物的鼻子中看到，”巴蘇解釋說。“這是一個新奇的想法。”

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

鼻子(豬的鼻子)在人類和動物中都起著非常重要的作用。鼻子是任何生物體環(huán)境相互作用的關鍵組成部分。當吸入空氣時，鼻子通過鼻腔和氣道加熱空氣，以保護關鍵的內臟器官。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)生的復雜氣流模式有助于捕獲顆粒和過濾空氣。

因為豬傾向于從灰塵很多的地方吃東西，所以鼻子必須特別擅長過濾有害顆粒。豬還必須適應各種氣候，形成形態(tài)復雜的鼻結構。對于生活在南達科他州的豬來說，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。“生活在較冷氣候中的動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物的原因之一，”巴蘇說。“我們想看看該區(qū)域的復雜形態(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。我們還想看看這是否可以與1號空氣顆粒過濾和2號傳熱相關。

該研究最近發(fā)表在《綜合與比較生物學》上。

空氣過濾器

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

“以前，我們正在努力設計面罩中的過濾器，這種過濾器與動物的氣道一樣復雜，”巴蘇補充道。

在這個項目中，巴蘇與康奈爾大學的一名教員Sunghwan Jung以及諾伊大學厄巴納-香檳分校的一名教員Leonardo Chamorro合作。此前，該團隊曾合作開展NSF支持的項目，該項目設計了受動物鼻子啟發(fā)的過濾器，包括豬，負鼠和狗。這個項目是他們以前工作的一個分支。

在空氣過濾器方面，高效微?？諝?HEPA)過濾器是目前的黃金標準。根據(jù)美國環(huán)境保護署的說法，這些過濾器理論上可以去除至少99.97%的灰塵，花粉，霉菌，細菌和任何尺寸為.3微米的空氣中的顆粒。根據(jù)Basu的說法，HEPA過濾器的挑戰(zhàn)在于它們沒有達到應有的能源效率。因此，需要設計一種既能去除有害顆粒又能節(jié)能的空氣過濾器。

合作研究

康奈爾大學的研究人員對豬進行了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隊提供了設計可以模擬氣流和傳熱模擬的過濾器模型的藍圖。UIUC的團隊對Basu的數(shù)值建模研究進行了后續(xù)實驗驗證。

模擬的主要發(fā)現(xiàn)之一是解剖結構中區(qū)域之間的傳熱差異。當空氣進入鼻子時，會有很高的傳熱，但隨著空氣通過鼻腔通道，這種傳熱會逐漸消失。

“隨著空氣進一步進入鼻腔，傳熱下降，”巴蘇說。“這意味著空氣正在達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 - 這是空調過濾器的關鍵元素 - 并且能夠捕獲幾乎所有超過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。

“缺點是，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，就過濾多少顆粒而言，效率相當?shù)停?rdquo;巴蘇說。“如果你看看HEPA過濾器，這些顆粒也會被捕獲，但如果你看看我們的生物啟發(fā)模型設計，它們就不會被捕獲。

這是一個關鍵問題仍然存在的領域 - 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地位。如果對有害空氣顆粒的進一步研究一致認為，“較小”微米(低于10微米)在病毒載量方面無害，這些病毒載量可以引發(fā)暴露的人體呼吸道感染，那么Basu的設計可以捕獲尺寸為10微米或更大的顆粒，可以以比HEPA過濾器更低的能耗率運行， 同時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行優(yōu)化，”巴蘇說。“這些設計受到大自然的啟發(fā)，從我們最初的研究中，我們看到這些設計在吸入空氣并將空氣與這些有害顆粒分離的同時將是節(jié)能的。

正如巴蘇所指出的那樣，他的團隊的研究與空氣過濾器行業(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)展的科學存在。