С самого начала творческой деятельности человека природа служила источником вдохновения. Это по-прежнему верно для Сайката Басу, доцента кафедры машиностроения Университета штата Южная Дакота, который черпал вдохновение в свином рыле, чтобы исследовать способы улучшения фильтрации воздуха.

"Исследователи еще не пытались разработать инженерные устройства фильтрации и термокондиционирования на основе выражений, а точнее, тенденций захвата частиц из вдыхаемого воздуха и явлений теплопередачи от тканей носа к воздуху, которые наблюдаются в носу этого вида животных", - пояснил Басу. "Это была новая идея".

Свиньи (Sus domesticus) были одними из самых первых одомашненных животных. Археологические данные свидетельствуют о том, что свиньи были одомашнены в Китае от дикого кабана 8 000 лет назад, а также более 11 400 лет назад в регионе, который сейчас называется Египет. С тех пор это животное, в частности, свиное рыло, эволюционировало, чтобы приспособиться к различным климатическим условиям.

Нос (рыло у свиней) играет очень важную роль как у людей, так и у животных. Нос - это ключевой компонент во взаимодействии любого организма с окружающей средой. При вдыхании воздуха нос согревает воздух через носовую полость и дыхательные пути для защиты основных внутренних органов. Это справедливо как для людей, так и для свиней. Кроме того, носовая полость выступает в качестве первой линии защиты от переносимых по воздуху патогенов, болезней, бактерий и других внешних частиц. Извилистые носовые ходы и возникающие при этом сложные воздушные потоки помогают улавливать частицы и фильтровать воздух.

Поскольку свиньи обычно питаются в местах, где много пыли, рыло должно быть особенно искусным в фильтрации вредных частиц. Свиньям также пришлось приспосабливаться к различным климатическим условиям, создавая морфологически сложные носовые структуры. У свиней, живущих в Южной Дакоте, нос стал очень эффективно нагревать холодный вдыхаемый воздух.

"Даже как люди, мы должны согреть воздух, прежде чем вдохнуть его в легкие", - сказал Басу. "Животные, живущие в более холодном климате, гораздо эффективнее согревают воздух благодаря своим дыхательным путям".

Если сравнить морду свиньи с носом человека, в частности, с поперечными сечениями около пазух носа, то у свиньи они гораздо более заметные и извилистые.

"Это была одна из причин, по которой мы хотели изучить это животное", - сказал Басу. "Мы хотели посмотреть, помогает ли сложная морфология этой области каким-то образом, или же она влияет на механику жидкости. Мы также хотели посмотреть, можно ли это соотнести с №1 - фильтрацией частиц воздуха, и №2 - теплопередачей".

Исследование было недавно опубликовано в журнале Integrative and Comparative Biology.

Воздушные фильтры

В последние годы улучшение фильтрации воздуха стало предметом пристального внимания исследователей. В связи с пандемией COVID-19 понимание того, как фильтрация может лучше улавливать вредные частицы, стало предметом повышенного внимания исследователей. В предыдущих исследованиях, связанных с этим проектом, Басу изучал способы улучшения фильтрации внутри масок.

"Ранее мы работали над созданием фильтров в маске, которые были бы такими же сложными, как дыхательные пути у животных", - добавил Басу.

Для этого проекта Басу сотрудничал с преподавателем Корнельского университета Сунгваном Джунгом, а также с преподавателем Иллинойского университета в Урбана-Шампейн Леонардо Чаморро. Ранее эта команда работала над проектом, поддержанным NSF, в котором были разработаны фильтры, вдохновленные носами животных, включая свиней, опоссумов и собак. Этот проект стал ответвлением их предыдущей работы.

Что касается воздушных фильтров, то в настоящее время золотым стандартом являются высокоэффективные фильтры для очистки воздуха от твердых частиц (HEPA). По данным Агентства по охране окружающей среды США, эти фильтры теоретически удаляют не менее 99,97% пыли, пыльцы, плесени, бактерий и любых частиц размером .3 микрона. Проблема с HEPA-фильтрами, по словам Басу, заключается в том, что они не настолько энергоэффективны, как могли бы быть. Таким образом, необходимо разработать такой воздушный фильтр, который бы одновременно удалял вредные частицы и был энергоэффективным.

Совместное исследование

Исследователи из Корнелла провели компьютерную томографию свиней и определили геометрию их носа, что позволило Басу и его исследовательской группе разработать модели фильтров, которые могли бы имитировать воздушный поток и теплообмен. Команда из UIUC провела последующие экспериментальные проверки исследований Басу в области численного моделирования.

Одним из ключевых результатов моделирования стали различия в теплопередаче между областями анатомических структур. Когда воздух попадает в нос, наблюдается высокая теплопередача, но она снижается по мере продвижения воздуха по носовым ходам.

"По мере продвижения воздуха дальше в носовую полость теплопередача снижается", - сказал Басу. "Это означает, что воздух как бы достигает температуры окружающих более теплых тканей".

Басу обнаружил, что модель, основанная на носе свиньи, обеспечивает хорошую теплопередачу - важный элемент для фильтра кондиционера - и способна улавливать почти все частицы размером более 10 микрон. Однако по мере того, как частицы становились меньше (менее 10 микрон), эффективность улавливания частиц снижалась, пояснил Басу.

"Недостатком является то, что если мы рассматриваем частицы размером два микрона, четыре микрона, даже, возможно, пять и шесть микронов, то эффективность довольно низкая с точки зрения того, сколько из этих частиц будет отфильтровано", - сказал Басу. "Если вы посмотрите на фильтры HEPA, то эти частицы будут задерживаться, но если вы посмотрите на нашу модель с биологическим вдохновением, то они не будут задерживаться".

Это область, в которой остается ключевой вопрос в плане исследования частиц воздуха. Должны ли микроны, меньше 10, задерживаться воздушными фильтрами, чтобы, например, не заразиться вирусными инфекциями?

Согласно предыдущим исследованиям Басу и других авторов, меньшие микроны - менее пяти микрон - не являются доминирующими с точки зрения того, сколько вирусной нагрузки они могут нести. Если дальнейшие исследования вредных частиц воздуха подтвердят, что "меньшие" микроны (менее 10 микрон) не являются вредными с точки зрения их вирусной нагрузки, которая может вызвать респираторные инфекции у человека, тогда конструкция Басу, которая улавливает частицы размером 10 микрон и больше, может работать при более низком уровне потребления энергии, чем фильтры HEPA, обеспечивая при этом тот же уровень безопасности.

"По сути, мы оптимизируем между тем, какие частицы мы хотим улавливать", - сказал Басу. "Конструкции вдохновлены природой, и из наших первоначальных исследований мы видим, что эти конструкции будут энергоэффективными, всасывая воздух и отделяя его от вредных частиц".

Как отмечает Басу, между исследованиями его команды и промышленным производством воздушных фильтров существует значительный разрыв, но очень интересно видеть, что наука для этой разработки существует.