Kiểm soát dòng chảy 'không tốn năng lượng' của bọt biển sâu có thể truyền cảm hứng cho các thiết kế tiết kiệm năng lượng mới
của Trường Kỹ thuật NYU Tandon
(a) Mô hình tính toán để nghiên cứu thông khí thụ động ở E. aspergillum. (b), (c) Các mặt bên và mặt trên của bốn vùng của miền tính toán được xem xét để định lượng các đặc tính dòng chảy. Tín dụng: Thư đánh giá vật lý (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.208402
Bọt biển giỏ hoa Venus, với bộ xương bên ngoài dạng lưới giống như thủy tinh mỏng manh, từ lâu đã thu hút các nhà nghiên cứu muốn giải thích làm thế nào cơ thể của sinh vật có vẻ mỏng manh này có thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt của biển sâu nơi nó sinh sống.
Giờ đây, nghiên cứu mới tiết lộ một thành tựu kỹ thuật khác về cấu trúc của loài động vật cổ đại này: khả năng lọc thức ăn chỉ bằng dòng chảy yếu xung quanh ở độ sâu đại dương mà không cần bơm.
Phát hiện này về khả năng kiểm soát dòng chảy '"không năng lượng" tự nhiên của một nhóm nghiên cứu quốc tế do Đại học Rome Tor Vergata và Trường Kỹ thuật Tandon NYU đồng dẫn đầu có thể giúp các kỹ sư thiết kế các lò phản ứng hóa học, hệ thống lọc không khí, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống thủy lực hiệu quả hơn, và các bề mặt khí động học.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra thông qua các mô phỏng máy tính có độ phân giải cực cao, cấu trúc xương của bọt biển giỏ hoa Venus (Euplectella aspergillum) chuyển hướng dòng hải lưu sâu rất chậm để chảy lên khoang cơ thể trung tâm của nó, do đó nó có thể ăn sinh vật phù du và các mảnh vụn biển khác mà nó lọc ra khỏi nước.
Miếng bọt biển thực hiện điều này thông qua bề mặt bên ngoài có đường xoắn ốc, có chức năng giống như một cầu thang xoắn ốc. Điều này cho phép nó hút nước một cách thụ động lên trên thông qua khung xốp, giống như lưới mà không cần năng lượng để bơm.
Maurizio Porfiri, Giáo sư Viện Tandon NYU và Giám đốc Trung tâm Khoa học Đô thị cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi giải quyết một cuộc tranh luận đã nổi lên trong những năm gần đây: miếng bọt biển trong giỏ hoa Venus có thể hút chất dinh dưỡng một cách thụ động mà không cần bất kỳ cơ chế bơm chủ động nào”. + Progress (CUSP), người đồng chủ trì nghiên cứu và đồng giám sát nghiên cứu. "Đó là một khả năng thích ứng đáng kinh ngạc cho phép thiết bị lọc này phát triển mạnh trong dòng chảy thường không thích hợp cho việc cấp liệu dạng huyền phù."
Ở tốc độ dòng chảy cao hơn, cấu trúc mạng giúp giảm lực cản lên sinh vật. Nhưng chính trong sự tĩnh lặng gần như tĩnh lặng của đáy đại dương sâu thẳm, hệ thống thông gió tự nhiên này mới nổi bật nhất và chứng tỏ bọt biển có thể thích nghi tốt như thế nào với môi trường khắc nghiệt của nó. Nghiên cứu cho thấy khả năng hút thức ăn một cách thụ động của bọt biển chỉ hoạt động ở tốc độ dòng điện rất chậm – chỉ centimet mỗi giây – trong môi trường sống của nó.
Giacomo Falcucci của Đại học Tor Vergata ở Rome và Harvard cho biết: “Từ góc độ kỹ thuật, hệ thống xương của miếng bọt biển cho thấy sự thích nghi đáng chú ý với môi trường của nó, không chỉ từ quan điểm cấu trúc mà còn liên quan đến hiệu suất động lực học chất lỏng của nó”. Đại học, tác giả đầu tiên của bài báo.
Cùng với Porfiri, Falcucci đồng chủ trì nghiên cứu, đồng giám sát nghiên cứu và thiết kế các mô phỏng trên máy tính. "Miếng bọt biển đã đạt được một giải pháp tối ưu để tối đa hóa việc cung cấp chất dinh dưỡng trong khi hoạt động hoàn toàn thông qua các cơ chế thụ động."
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính Leonardo mạnh mẽ tại CINECA, một trung tâm siêu máy tính ở Ý, để tạo ra một bản sao 3D có độ chân thực cao của miếng bọt biển, chứa khoảng 100 tỷ điểm riêng lẻ tái tạo cấu trúc sườn xoắn ốc phức tạp của miếng bọt biển. "Bản sao kỹ thuật số" này cho phép thử nghiệm điều không thể thực hiện được trên bọt biển sống, vốn không thể tồn tại bên ngoài môi trường biển sâu.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng rất chi tiết về dòng nước xung quanh và bên trong mô hình máy tính về bộ xương của miếng bọt biển giỏ hoa Venus. Với sức mạnh tính toán khổng lồ của Leonardo, cho phép thực hiện hàng triệu triệu phép tính mỗi giây, họ có thể mô phỏng nhiều loại tốc độ và điều kiện dòng nước.
Các nhà nghiên cứu cho biết những hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật phỏng sinh học mà họ phát hiện ra có thể giúp hướng dẫn thiết kế các lò phản ứng hiệu quả hơn bằng cách tối ưu hóa mô hình dòng chảy bên trong đồng thời giảm thiểu lực cản bên ngoài. Các bề mặt xốp, có gờ tương tự có thể tăng cường hệ thống lọc và thông gió trong các tòa nhà chọc trời và các công trình khác. Các đường gờ xoắn ốc không đối xứng thậm chí có thể truyền cảm hứng cho thân tàu hoặc thân máy bay có lực kéo thấp giúp luôn được sắp xếp hợp lý đồng thời thúc đẩy luồng không khí bên trong.
Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên nghiên cứu trước đó của nhóm về bọt biển giỏ hoa sao Kim được xuất bản trên tạp chí Nature vào năm 2021, trong đó nhóm tiết lộ rằng họ đã tạo ra mô phỏng lần đầu tiên về bọt biển biển sâu cũng như cách nó phản ứng và ảnh hưởng đến dòng chảy của nước gần đó.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
