Apa yang Ditemukan Ilmuwan MIT Tentang Ikan Pari Manta Adalah Merevolusi Penyaringan Air
MIT para insinyur telah menemukan bahwa ikan pari mobula, sejenis ikan pari akuatik yang memberi makan filter, menggunakan mekanisme unik untuk memberi makan dan bernapas secara bersamaan, yang dapat merevolusi filter air industri.
Dengan mempelajari geometri mulut ikan pari dan struktur insang, mereka mengembangkan cetak biru sistem filtrasi yang lebih efisien, menyeimbangkan permeabilitas dengan selektivitas untuk meningkatkan kinerja tanpa meningkatkan konsumsi energi.
Filter Pengumpanan dan Wawasan Teknik
Filter feeder ditemukan di seluruh dunia hewan, mulai dari krustasea kecil, karang, dan krill hingga yang lebih besar jenis seperti moluska, teritip, hiu penjemur, dan paus balin. Kini, para insinyur MIT telah menemukan bahwa salah satu pengumpan filter ini, mobula ray, telah mengembangkan metode pemberian pakan unik yang dapat menginspirasi desain filter air industri yang lebih baik.
Dalam makalah terbaru yang diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionalpara peneliti menggambarkan sistem filter-feeding pada ikan pari mobula, sekelompok ikan pari akuatik yang mencakup dua spesies pari manta dan tujuh spesies pari setan. Ikan pari mobula mencari makan dengan cara berenang dengan mulut terbuka lebar di perairan yang kaya akan plankton, menangkap plankton saat air mengalir ke dalam mulutnya dan keluar melalui insangnya.
Di dalam mulut ikan pari, terdapat struktur paralel seperti sisir, yang disebut pelat, melapisi setiap sisinya, menyalurkan air menuju insangnya. Tim MIT menemukan bahwa lempeng-lempeng ini diberi jarak yang tepat sehingga menyebabkan partikel plankton memantul lebih dalam ke mulut ikan pari, bukannya keluar melalui insang. Selain itu, insang mengekstraksi oksigen dari air yang keluar, memungkinkan pari untuk makan dan bernapas pada saat yang bersamaan.
“Kami menunjukkan bahwa mobula ray telah mengembangkan geometri pelat ini menjadi ukuran sempurna untuk menyeimbangkan makan dan bernapas,” kata penulis studi Anette “Peko” Hosoi, Profesor Teknik Mesin Pappalardo di MIT.
Aplikasi Rekayasa dari Desain Alam
Para insinyur membuat filter air sederhana yang meniru fitur penyaringan plankton pada ikan pari mobula. Mereka mempelajari bagaimana air mengalir melalui filter ketika dilengkapi dengan struktur seperti pelat yang dicetak 3D. Tim mengambil hasil percobaan ini dan membuat cetak biru, yang menurut mereka dapat digunakan oleh para desainer untuk mengoptimalkan filter aliran silang industri, yang secara umum memiliki konfigurasi yang mirip dengan mobula ray.
“Kami ingin memperluas ruang desain filtrasi aliran silang tradisional dengan pengetahuan baru dari pari manta,” kata penulis utama dan postdoc MIT Xinyu Mao PhD '24. “Orang-orang dapat memilih rezim parameter mobula ray sehingga mereka berpotensi meningkatkan kinerja filter secara keseluruhan.”
Hosoi dan Mao ikut menulis studi baru ini bersama Irmgard Bischofberger, profesor teknik mesin di MIT.
Menjelajahi Pertukaran Filtrasi di Industri dan Alam
Studi baru ini muncul dari fokus kelompok tersebut pada penyaringan selama puncak pandemi Covid, ketika para peneliti merancang masker wajah untuk menyaring virus. Sejak itu, Mao mengalihkan fokusnya untuk mempelajari filtrasi pada hewan dan bagaimana mekanisme pemberian filter tertentu dapat meningkatkan filter yang digunakan dalam industri, seperti di pabrik pengolahan air.
Mao mengamati bahwa setiap filter industri harus mencapai keseimbangan antara permeabilitas (seberapa mudah cairan dapat mengalir melalui filter), dan selektivitas (seberapa sukses filter dalam mencegah partikel dengan ukuran target). Misalnya, membran yang berlubang besar mungkin sangat permeabel, artinya banyak air dapat dipompa dengan menggunakan sedikit energi. Namun, lubang besar pada membran akan membiarkan banyak partikel masuk, sehingga selektivitasnya sangat rendah. Demikian pula, membran dengan pori-pori yang jauh lebih kecil akan lebih selektif namun juga memerlukan lebih banyak energi untuk memompa air melalui bukaan yang lebih kecil.
“Kami bertanya pada diri sendiri, bagaimana kami bisa lebih baik dalam menghadapi trade-off antara permeabilitas dan selektivitas ini?” kata Hosoi.
Saat Mao mempelajari hewan pemakan filter, ia menemukan bahwa ikan pari mobula telah mencapai keseimbangan ideal antara permeabilitas dan selektivitas: Ikan pari sangat permeabel, sehingga dapat mengalirkan air ke dalam mulutnya dan keluar melalui insangnya dengan cukup cepat untuk menangkap oksigen. untuk bernapas. Pada saat yang sama, ia sangat selektif, menyaring dan memakan plankton daripada membiarkan partikel keluar melalui insang.
Para peneliti menyadari bahwa fitur penyaringan sinar ini secara umum mirip dengan filter aliran silang industri. Filter ini dirancang sedemikian rupa sehingga cairan mengalir melintasi membran permeabel yang memungkinkan sebagian besar cairan dapat melewatinya, sementara partikel polusi terus mengalir melintasi membran dan akhirnya keluar ke reservoir limbah.
Tim bertanya-tanya apakah mobula ray dapat menginspirasi perbaikan desain pada filter aliran silang industri. Untuk itu, mereka mempelajari lebih dalam dinamika penyaringan sinar mobula.
Teknik Filtrasi Dinamis Terinspirasi oleh Sinar Mobula
Sebagai bagian dari studi baru mereka, tim membuat filter sederhana yang terinspirasi oleh mobula ray. Desain filter inilah yang oleh para insinyur disebut sebagai “saluran bocor” — yang sebenarnya adalah sebuah pipa dengan lubang di sepanjang sisinya. Dalam hal ini, “saluran” tim terdiri dari dua pelat akrilik datar dan transparan yang direkatkan di bagian tepinya, dengan sedikit bukaan di antara pelat tempat cairan dapat dipompa. Di salah satu ujung saluran, para peneliti memasukkan struktur cetak 3D yang menyerupai pelat beralur yang membentang di sepanjang dasar mulut mobula ray.
Tim kemudian memompa air melalui saluran dengan kecepatan berbeda-beda, disertai pewarna berwarna untuk memvisualisasikan alirannya. Mereka mengambil gambar di seluruh saluran dan mengamati transisi yang menarik: Pada laju pemompaan yang lambat, alirannya “sangat tenang,” dan cairan dengan mudah menyelinap melalui alur di pelat cetak dan keluar ke dalam reservoir. Ketika para peneliti meningkatkan laju pemompaan, cairan yang mengalir lebih cepat tidak lolos, namun tampak berputar di mulut setiap alur, menciptakan pusaran, mirip dengan simpul kecil rambut di antara ujung gigi sisir.
“Pusaran ini tidak menghalangi air, namun menghalangi partikel,” jelas Hosoi. “Sementara pada aliran yang lebih lambat, partikel melewati filter bersama air, pada laju aliran yang lebih tinggi, partikel mencoba melewati filter tetapi terhalang oleh pusaran ini dan malah terlempar ke saluran. Pusaran ini berguna karena mencegah partikel mengalir keluar.”
Tim menduga bahwa vortisitas adalah kunci kemampuan menyaring sinar mobula. Ikan pari mampu berenang dengan kecepatan yang tepat sehingga air, yang mengalir ke mulutnya, dapat membentuk pusaran di antara lempengan-lempengan yang berlekuk. Pusaran ini secara efektif memblokir partikel plankton apa pun – bahkan partikel yang lebih kecil dari jarak antar lempeng. Partikel-partikel tersebut kemudian memantul melintasi pelat dan menuju lebih jauh ke dalam rongga ikan pari, sedangkan sisa air masih dapat mengalir di antara pelat dan keluar melalui insang.
Para peneliti menggunakan hasil percobaan mereka, bersama dengan dimensi fitur penyaringan sinar mobula, untuk mengembangkan cetak biru penyaringan aliran silang.
“Kami telah memberikan panduan praktis tentang cara memfilter seperti yang dilakukan mobula ray,” Mao menawarkan.
“Anda ingin merancang filter sedemikian rupa sehingga Anda berada dalam rezim di mana Anda menghasilkan vortisitas,” kata Hosoi. “Pedoman kami memberi tahu Anda: Jika Anda ingin pabrik Anda memompa pada kecepatan tertentu, maka filter Anda harus memiliki diameter dan jarak pori tertentu untuk menghasilkan pusaran yang akan menyaring partikel sebesar ini. Mobula ray memberi kita aturan praktis yang bagus untuk desain rasional.”
Referensi: “Permeabilitas–selektivitas trade-off untuk saluran kebocoran universal yang terinspirasi oleh filter mobula” oleh Xinyu Mao, Irmgard Bischofberger dan Anette E. Hosoi, 25 November 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2410018121
Upaya ini sebagian didukung oleh AS Institut Kesehatan Nasionaldan Dana Beasiswa Harvey P. Greenspan.
