MITは3Dプリントを使ってマンタにヒントを得た水フィルターを作り、濾過効率を向上

この投稿は Coco Bear によって 2024-12-8 20:04 に最後に編集されました。

2024年11月、MITの学者たちは、モブラフィルターにヒントを得た「普遍的な漏洩チャネルの透過性と選択性のトレードオフ」と題する論文を米国科学アカデミー紀要に発表しました。この研究では、研究者らは積層造形技術を使用して新しいタイプの水フィルターを設計・製造しました。

背景工業用水処理において、フィルター設計は透過性と選択性の間の難しいトレードオフに直面します。従来のフィルターには、液体は簡単に通過できるものの粒子をブロックしにくい大きな孔か、より効果的にろ過できるものの水を押し出すのに多くのエネルギーを必要とする小さな孔のいずれかがあります。より良い解決策を求めて、MIT の研究チームは自然界、特にマンタに目を向けました。マンタの濾過摂食メカニズムは、上記の問題を解決するための新たなヒントを与えてくれます。

マンタはエイ科に属し、独特の食べ方で知られています。プランクトンが豊富な水域を泳ぐとき、彼らは口を大きく開けて水が鰓に流れるようにし、特殊な櫛状の構造でプランクトンを餌として捕らえます。研究者たちは、マンタの口の底の両側に平行な板状の構造があることを発見した。これらの構造は、呼吸のために水がエラをスムーズに流れるのを助けるだけでなく、プランクトンを効果的に捕らえるのにも役立つ。これは、長い進化の過程を経て、マンタが餌を食べながら効率的に呼吸できる理想的な構造サイズを獲得したことを示唆しています。この特性は、エンジニアたちに、それを産業用ろ過技術にどのように応用するかを考えるきっかけを与えました。

研究内容 MITのエンジニアたちは、付加製造技術、つまり3Dプリントを利用して、マンタのプランクトン濾過特性を模倣した新しいタイプの水フィルターを設計・構築した。研究チームはまず、2枚の平らで透明なアクリル板を端で接着し、中央に液体が通過できる小さな開口部を設けたシンプルなモデルを構築した。研究者らは、水路の一端に、マンタの口底の溝付きプレートを再現した3Dプリント構造物を挿入した。

△青い液体は実験装置のフィルタープレート間の流動構造を表す

実験中、研究者たちはさまざまな速度で水を水路に送り込み、色のついた染料を使って水の流れを観察した。彼らは、低速ポンピング条件下では流れが非常に穏やかであるため、液体が3Dプリントされたプレートの溝を通り抜けてリザーバーに簡単に滑り込むことに気づきました。しかし、ポンピング速度が増加すると、高速で流れる液体はスムーズに通過できなくなり、各溝の入口で渦を形成します。これらの渦は、櫛の先端の間の小さな髪の毛の塊に似ており、水の流れを妨げることなく粒子状物質を捕捉し、プレート間のスペースよりも小さな粒子を効果的に捕捉できるようにします。

研究結果

この研究では、3Dプリント技術がマンタの自然な濾過機構を模倣する上で重要な役割を果たしたことが示された。研究者たちは、3Dプリントされた板状の構造物のサイズと間隔を調整することで、マンタが餌を食べるときに経験する渦効果をうまくシミュレートしました。渦は水の流れをブロックするのではなく、粒子状物質に対する効果的な障壁となり、高い透過性を維持しながらフィルターの選択性を大幅に向上させます。さらに、研究チームは実験データに基づいて詳細な青写真を作成し、工業用クロスフローフィルターの設計を最適化して、その性能を自然界の効率的なろ過システムに近づける方法を指導しました。

この研究は、新しい濾過技術の開発における積層造形の可能性を実証するだけでなく、将来の産業用フィルター設計にとって重要な参考資料も提供します。 MITの研究者らは、彼らの設計原理は水処理場や食品加工産業など、さまざまな産業シナリオに適用でき、パラメータスキームを適切に選択することでフィルター全体のパフォーマンスを向上させる可能性があると指摘している。シンユー・マオ博士は次のように語った。「私たちはマンタに関する新たな理解を活用して、従来のクロスフローろ過の設計の可能性を広げ、人々が特定のニーズに応じてろ過ソリューションをカスタマイズできるようにしたいと考えています。」

MITの機械工学教授アネット・「ペコ」・ホソイ氏、機械工学准教授イルムガルト・ビショフベルガー氏、博士研究員シンユー・マオ氏によるこの研究は、自然界の生物学的構造が工学にどのような刺激を与えるかを明らかにするだけでなく、産業用途に革命的な設計概念をもたらします。この研究結果は米国科学アカデミー紀要に掲載され、環境保護と資源リサイクルの分野における積層造形技術の新たな重要な進歩を示すものとなった。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1073/pnas.2410018121

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