Alimentadores de filtro estão por todo o mundo animal, desde pequenos crustáceos e certos tipos de coral e krill, até vários moluscos, cracas e até enormes tubarões-frade e baleias de barbatanas. Agora, engenheiros do MIT descobriram que um alimentador de filtro evoluiu para peneirar alimentos de maneiras que podem melhorar o design de filtros de água industriais.

Em um artigo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , a equipe caracteriza o mecanismo de alimentação por filtragem da raia mobula — uma família de raias aquáticas que inclui duas espécies de manta e sete raias-diabo. As raias mobula se alimentam nadando de boca aberta por regiões ricas em plâncton do oceano e filtrando partículas de plâncton em sua garganta enquanto a água flui para suas bocas e sai por suas guelras.

O assoalho da boca da raia mobula é revestido em ambos os lados com estruturas paralelas, semelhantes a pentes, chamadas placas, que sifonam água para as guelras da raia. A equipe do MIT mostrou que as dimensões dessas placas podem permitir que o plâncton que chega salte por todo o caminho através das placas e mais para dentro da cavidade da raia, em vez de sair pelas guelras. Além disso, as guelras da raia absorvem oxigênio da água que sai, ajudando a raia a respirar simultaneamente enquanto se alimenta.

“Mostramos que a raia mobula evoluiu a geometria dessas placas para ter o tamanho perfeito para equilibrar alimentação e respiração”, diz a autora do estudo Anette “Peko” Hosoi, professora Pappalardo de Engenharia Mecânica no MIT.

Os engenheiros fabricaram um filtro de água simples modelado a partir das características de filtragem de plâncton da arraia-mobula. Eles estudaram como a água fluía pelo filtro quando ele era equipado com estruturas semelhantes a placas impressas em 3D. A equipe pegou os resultados desses experimentos e elaborou um projeto, que eles dizem que os designers podem usar para otimizar filtros industriais de fluxo cruzado, que são amplamente semelhantes em configuração à da arraia-mobula.

“Queremos expandir o espaço de design da filtragem de fluxo cruzado tradicional com novos conhecimentos da arraia-manta”, diz o autor principal e pós-doutorado do MIT Xinyu Mao PhD '24. “As pessoas podem escolher um regime de parâmetros da arraia-mobula para que possam potencialmente melhorar o desempenho geral do filtro.”

Hosoi e Mao foram coautores do novo estudo com Irmgard Bischofberger, professora associada de engenharia mecânica no MIT.

O novo estudo surgiu do foco do grupo na filtragem durante o auge da pandemia de Covid, quando os pesquisadores estavam projetando máscaras faciais para filtrar o vírus. Desde então, Mao mudou o foco para estudar a filtragem em animais e como certos mecanismos de alimentação por filtro podem melhorar os filtros usados na indústria, como em estações de tratamento de água.

Mao observou que qualquer filtro industrial deve atingir um equilíbrio entre permeabilidade (quão facilmente o fluido pode fluir através de um filtro) e seletividade (quão bem-sucedido um filtro é em manter partículas de um tamanho alvo fora). Por exemplo, uma membrana que é cravejada com grandes furos pode ser altamente permeável, o que significa que muita água pode ser bombeada usando muito pouca energia. No entanto, os grandes furos da membrana deixariam muitas partículas passarem, tornando-a muito baixa em seletividade. Da mesma forma, uma membrana com poros muito menores seria mais seletiva, mas também exigiria mais energia para bombear a água através das aberturas menores.

“Nós nos perguntamos como podemos fazer melhor com essa troca entre permeabilidade e seletividade?”, diz Hosoi.

Enquanto Mao observava animais que se alimentam por filtração, ele descobriu que a raia mobula atingiu um equilíbrio ideal entre permeabilidade e seletividade: a raia é altamente permeável, pois pode deixar a água entrar em sua boca e sair por suas guelras rápido o suficiente para capturar oxigênio para respirar. Ao mesmo tempo, é altamente seletiva, filtrando e se alimentando de plâncton em vez de deixar as partículas fluírem pelas guelras.

Os pesquisadores perceberam que as características de filtragem do raio são amplamente semelhantes às dos filtros de fluxo cruzado industriais. Esses filtros são projetados de modo que o fluido flua através de uma membrana permeável que deixa passar a maior parte do fluido, enquanto quaisquer partículas poluentes continuam fluindo através da membrana e, eventualmente, para um reservatório de resíduos.

A equipe se perguntou se o raio mobula poderia inspirar melhorias de design para filtros de fluxo cruzado industriais. Para isso, eles mergulharam mais fundo na dinâmica da filtragem do raio mobula.

Como parte do novo estudo, a equipe fabricou um filtro simples inspirado na arraia-mobula. O design do filtro é o que os engenheiros chamam de "canal com vazamento" — efetivamente, um cano com furos nas laterais. Neste caso, o "canal" da equipe consiste em duas placas de acrílico transparentes e planas que são coladas nas bordas, com uma pequena abertura entre as placas através da qual o fluido pode ser bombeado. Em uma extremidade do canal, os pesquisadores inseriram estruturas impressas em 3D que lembram as placas ranhuradas que correm ao longo do assoalho da boca da arraia-mobula.

A equipe então bombeou água pelo canal em várias taxas, junto com corante colorido para visualizar o fluxo. Eles tiraram imagens do canal e observaram uma transição interessante: em taxas de bombeamento lentas, o fluxo era "muito tranquilo" e o fluido deslizava facilmente pelas ranhuras nas placas impressas e saía para um reservatório. Quando os pesquisadores aumentaram a taxa de bombeamento, o fluido de fluxo mais rápido não deslizava, mas parecia girar na boca de cada ranhura, criando um vórtice, semelhante a um pequeno nó de cabelo entre as pontas dos dentes de um pente.

“Este vórtice não está bloqueando água, mas está bloqueando partículas”, explica Hosoi. “Enquanto em um fluxo mais lento, as partículas passam pelo filtro com a água, em taxas de fluxo mais altas, as partículas tentam passar pelo filtro, mas são bloqueadas por este vórtice e são atiradas para o canal. O vórtice é útil porque evita que as partículas fluam para fora.”

A equipe supôs que os vórtices são a chave para a capacidade de alimentação por filtragem das raias mobula. A raia é capaz de nadar na velocidade exata em que a água, fluindo para sua boca, pode formar vórtices entre as placas ranhuradas. Esses vórtices bloqueiam efetivamente quaisquer partículas de plâncton — mesmo aquelas menores do que o espaço entre as placas. As partículas então saltam pelas placas e seguem mais para dentro da cavidade da raia, enquanto o resto da água ainda pode fluir entre as placas e sair pelas guelras.

Os pesquisadores usaram os resultados de seus experimentos, juntamente com as dimensões das características de filtragem dos raios mobula, para desenvolver um projeto para filtragem de fluxo cruzado.

“Nós fornecemos orientação prática sobre como realmente filtrar como o raio mobula faz”, oferece Mao.

“Você quer projetar um filtro de modo que esteja no regime em que gera vórtices”, diz Hosoi. “Nossas diretrizes dizem a você: se você quer que sua planta bombeie a uma certa taxa, então seu filtro tem que ter um diâmetro de poro e espaçamento específicos para gerar vórtices que filtrarão partículas desse tamanho. O raio mobula está nos dando uma regra prática muito boa para design racional.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA e pelo Harvey P. Greenspan Fellowship Fund.