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AM易道导语：
自然界中总有令人惊叹的造物，而蝠鲼（Fu Fen）也称魔鬼鱼无疑是其中最令人着迷的一种。
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这种体型可达7米的海洋巨兽，在数百万年的进化历程中发展出了一套令人叹为观止的过滤系统。
它们能够在高速游动中持续过滤海水，从浩瀚的海洋中精准捕获微小的浮游生物，而且这个过程几乎不会发生任何堵塞。
这种独特的能力一直以来都令科学家们着迷：它是如何做到的？这套系统背后的物理机制是什么？
近期，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究，为这些问题提供了答案。
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麻省理工学院的研究团队通过精密的实验设计和理论分析，揭示了蝠鲼过滤系统中前所未见的流体动力学机制。
而这一研究所用的过滤模型实现，3D打印技术派上用场。
AM易道认为，这项研究的重要性远不止于解开了一个生物学谜题。给3D打印从业者的启发可能是将精密增材制造技术与生物启发设计相结合，有望催生新一代的分离/过滤技术。
这种高效、低能耗的分离/过滤技术在各行各业均有大量实践应用。
AM易道畅想，随着3D打印技术在精度、材料和智能化方面的持续突破，我们将能够更深入地研究和模拟甚至工程优化自然界中的奇妙结构。
让我们跟随这项研究，一起探索蝠鲼过滤系统的奥秘，见证3D打印技术如何助力科学发现，并展望这一突破性成果在工业应用中的广阔前景。
延伸阅读：一张3D打印鲨鱼皮，揭开全球航空科技大变局
前文说过，对于过来说，效率与选择性的平衡始终是一个世纪难题。蝠鲼科的鱼类，包括两种蝠鲼和八种魔鬼鱼，在长期进化过程中发展出了精妙的过滤装置。![]()
正如论文上图1A所展示的，这种过滤器由一系列叶状结构组成，能够在游动过程中持续从海水中分离出食物颗粒。与传统的工业交叉流过滤不同，蝠鲼的过滤系统采用了一种被称为"弹跳分离"的独特机制，这使得它能够分离出远小于滤孔尺寸的颗粒，同时还具有卓越的防堵塞性能。研究团队基于这一观察，构建了一个突破性的理论框架。如上图B所示，他们提出了一个"通用漏水通道"模型，这个模型保留了蝠鲼过滤器的核心特征，同时简化为可进行定量研究的形式。模型中最关键的创新在于引入了过滤板的倾斜角度θ，这使得模型能够更好地模拟蝠鲼过滤器的形状特征。为了验证理论模型，根据前文图B的想法，研究团队开发了一套实验系统。他们采用了Prusa i3 MK3S+FDM3D打印机，实现了50微米z向分辨率的过滤构件制造。AM易道认为，FDM打印技术被广泛认为是入门级3D打印技术，但实际上我们看到在很多科研应用中都在用于验证一些设计想法。MIT的此研究在很多金属类过滤器的开发也有借鉴意义，未来可以采用如LPBF等金属打印技术来实现想法。![]()
研究团队除了过滤板通过3D打印制作，而通道壁则使用激光切割的亚克力板（AM易道理解这样设置是便于观察过滤的湍流情况，其实用很多高透材料直接打印也可以实现），最后通过亚克力胶水精确组装。实验设备的入口段长度达到50厘米，确保了充分发展的流动状态。通道的半宽为25毫米，过滤板厚度为0.5毫米，每侧装有30个过滤板。为了准确测量渗透流量，研究人员在前部和后部分别设置了水收集器，对应于第5-10和20-25号孔。通过染料示踪实验，研究团队发现了该实验装置工作时三种截然不同的流动状态，这一发现在图2中得到了清晰的展示。![]()
图A展示了实验装置的整体构造，而图B和C则详细记录了在不同流速下观察到的流动模式：图B对应的视频：过滤器正面对应的不同速率下的涡流情况：图C对应的视频：过滤器背面对应的不同速率下的涡流情况：当平均通道速度qin较低时（小于0.08 m/s），流体呈现无涡状态。随着速度增加到中等水平（0.08-0.7 m/s），在孔道入口处开始出现部分涡状态。当速度进一步增加（大于0.7 m/s）时，形成了完全涡状态。最令人惊奇的是，在完全涡状态下，研究人员发现了一个此前未被报道的拟合1/2斜率，即孔道泄漏率与入流速度的平方根成正比。![]()
研究团队的一个关键发现是压力分布与流动状态之间的密切关系。![]()
如上图所示，三种流动状态各自呈现出独特的压力分布特征。这一发现不仅帮助我们理解了蝠鲼过滤器的工作机制，还为工业过滤器的设计提供了全新的思路。![]()
更令人瞩目的是，研究人员在上图中展示了颗粒分离的动力学机制。他们使用了直径为324±51微米的聚苯乙烯微球进行实验，浓度为0.2g/L。通过高速摄像机（Phantom Miro M320S）以3400帧/秒的速率捕捉颗粒运动轨迹，揭示了大小颗粒在过滤过程中的不同命运。小颗粒能够穿过涡流进入孔道，而大颗粒则会被反弹回主流道，这种机制确保了高效的分离而不会造成堵塞。![]()
研究团队首次揭示了蝠鲼过滤器在进化过程中实现了渗透性和选择性的最优平衡。图A展示了归一化的孔道泄漏率与截止颗粒直径之间的关系图，揭示了物理定律对过滤性能的根本限制。![]()
令人惊叹的是，十种蝠鲼的数据点都落在了可达区域的最优前沿，这表明自然选择推动了过滤器结构向着最优方向演化。AM易道认为，这种生物启发的设计理念将为工业分离技术带来革命性的变革。研究表明，蝠鲼过滤器的水渗透系数范围从1.1×10^-4到1.5×10^-3 m·s^-1·Pa^-1，对于微米级颗粒的截留率高达98-100%。这种性能远超传统的工业过滤器，特别是在防堵塞性能方面具有突出优势。基于这项研究，我们可以展望多个具有重要商业价值的应用方向。在水处理领域，这种新型过滤机制可能改变现有的膜分离技术。通过精确控制流动状态，实现高通量、高选择性和防堵塞的完美统一。要将这类分离/过滤发现转化为工业应用，前期的试制AM易道认为，离不开各类3D打印技术的应用。技术选择、材料选择和优化，工艺优化都是要做的工作，要在强度、耐久性和成本之间找到平衡点。另外一个思路是通过多材料3D打印技术制造具有梯度性能的结构，更好地模拟生物结构的力学响应。设计方面就更不用说，如果把魔鬼鱼的过滤机制作为限定条件再结合拓扑优化、再结合各类周期单元结构或者变密度结构的尝试，可能会打开一扇扇新的应用大门。借鉴研究团队在图B中展示的设计空间图为产品设计提供了清晰的路线图。![]()
通过调节孔径宽度d和长宽比lpore/d，可以针对不同应用场景优化过滤器性能。这种可定制性使得该技术在多个领域都具有广阔的应用前景：在工业废水处理领域，这种新型过滤器可以显著提高处理效率，降低能耗。特别是对于含有悬浮固体的废水，传统过滤器往往面临严重的污染和堵塞问题，而这种生物启发的设计则可以实现持续稳定的运行。在生物医药产业，温和的分离机制使其特别适合处理活细胞、蛋白质等敏感物质。研究显示，在分离效率达到98-100%的同时，剪切应力远低于传统过滤方法，这对于细胞分选和蛋白质纯化具有重要意义。在食品工业中，这种技术可用于果汁澄清、啤酒过滤等工艺，其防堵塞特性可以显著延长过滤器使用寿命，降低生产成本。![]()
虽然这项研究取得了突破性进展，但仍有几个关键科学问题有待深入研究。首先是涡流状态下的三维效应，目前研究主要集中在二维（扁平）模型，而实际应用中的三维流动可能展现出更复杂的行为。而要制造复杂三维流动下涡流状态实验模拟装置，就更离不开3D打印了，比如可以参照AM易道过去大量分享过的航空航天案例。
如果读者对本文有更多见解或者对过滤/分离3D打印的有更多应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。
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