Ingenieros se inspiran en la mantarraya para mejorar los filtros de agua
Una nueva investigación demuestra que la alimentación por filtración que emplean criaturas como las mantarrayas consigue un equilibrio natural entre permeabilidad y selectividad que podría servir de base para el diseño de sistemas de tratamiento de aguas más afectivos.
Por Jennifer Chu / MIT News
Los ingenieros del MIT han fabricado un filtro de agua simple modelado a partir de las características de filtrado de plancton de la mantarraya, un pez cartilaginoso que pertenece a la familia Mobulidae. En la imagen, piezas del filtro. Crédito: Jennifer Chu
Los filtradores están por todas partes en el mundo animal, desde diminutos crustáceos y ciertos tipos de coral y krill hasta diversos moluscos, percebes e incluso enormes tiburones peregrinos y ballenas barbadas. Ahora, los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto que uno de estos filtradores ha evolucionado para tamizar los alimentos de un modo que podría mejorar el diseño de los filtros de agua industriales.
En un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el equipo caracteriza el mecanismo de alimentación por filtración de la mantarraya o manta gigante (Mobula birostris), pez de la familia Mobulidae, que incluye una decena de rayas. Las mantarrayas se alimentan nadando con la boca abierta por zonas del océano ricas en plancton, y filtran partículas de plancton en su garganta a medida que el agua entra en su boca y sale por sus branquias.
El fondo de la boca de mantarraya está revestido a ambos lados de estructuras paralelas en forma de peine, llamadas placas, que empujan como si fueran sifones el agua hacia las branquias de la raya. El equipo del MIT ha demostrado que las dimensiones de estas placas pueden permitir que el plancton entrante rebote a través de las placas y se introduzca en la cavidad del pez, en lugar de salir por las branquias. Además, las branquias de la mantarraya absorben el oxígeno del agua que sale, lo que le permite respirar al mismo tiempo que se alimenta.
«Demostramos que la mantarraya ha evolucionado la geometría de estas placas hasta alcanzar el tamaño perfecto para equilibrar la alimentación y la respiración», afirma la autora del estudio, Anette Peko Hosoi, catedrática de Ingeniería Mecánica en el MIT.
Las mantarrayas tragan el agua del mar y utilizan filtros especializados en su cavidad bucal para separar las partículas de alimentos. Créditos: Crédito: Jing Xue
Los ingenieros fabricaron un sencillo filtro de agua inspirado en las características de la raya para filtrar el plancton. Estudiaron cómo fluía el agua a través del filtro cuando se le colocaban estructuras similares a placas impresas en 3D. El equipo registró los resultados de estos experimentos y elaboró un plano que, según dicen, los diseñadores pueden utilizar para optimizar los filtros industriales de flujo cruzado, cuya configuración es muy similar a la de la mantarraya.
«Queremos ampliar el espacio de diseño de la filtración de flujo cruzado tradicional con los nuevos conocimientos de la manta raya —dice el autor principal y postdoctorado del MIT Xinyu Mao. Y añade—: La gente puede elegir el régimen de parámetros de la filtración de flujo cruzado. «La gente puede elegir un régimen de parámetros de la manta raya para poder mejorar potencialmente el rendimiento general del filtro».
Hosoi y Mao son coautores del nuevo estudio junto con Irmgard Bischofberger, profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT.
Un mayor compromiso
El nuevo estudio surgió del interés del grupo por la filtración durante el apogeo de la pandemia de la covid-19, cuando los investigadores diseñaban mascarillas para filtrar el virus. Desde entonces, Mao ha cambiado de enfoque para estudiar la filtración en animales y cómo ciertos mecanismos de alimentación por filtración podrían mejorar los filtros utilizados en la industria, como en las plantas de tratamiento de aguas.
Mao observó que cualquier filtro industrial debe encontrar un equilibrio entre la permeabilidad —la facilidad con que un fluido puede pasar a través de un filtro— y la selectividad —el éxito de un filtro a la hora de mantener alejadas las partículas de un tamaño determinado—. Por ejemplo, una membrana con grandes agujeros puede ser muy permeable, lo que significa que se puede bombear mucha agua con muy poca energía. Sin embargo, los grandes agujeros de la membrana dejarían pasar muchas partículas, lo que la haría muy poco selectiva.
Del mismo modo, una membrana con poros mucho más pequeños sería más selectiva, pero también requeriría más energía para bombear el agua a través de las aberturas más pequeñas.
«Nos preguntamos cómo mejorar este equilibrio entre permeabilidad y selectividad», afirma Hosoi.
Un pez permeable y selectivo
Al estudiar los animales que se alimentan por filtración, Mao descubrió que la raya gigante ha logrado un equilibrio ideal entre permeabilidad y selectividad. En efecto, el pez es muy permeable, es decir, puede dejar entrar agua por la boca y salir por las branquias con la rapidez suficiente para captar oxígeno para respirar. Al mismo tiempo, es muy selectivo, ya que filtra el plancton y se alimenta de él en lugar de dejar que las partículas salgan por las branquias.
Los investigadores se dieron cuenta de que las características de filtrado de la raya son muy similares a las de los filtros industriales de flujo cruzado. Estos filtros están diseñados de tal manera que el fluido fluye a través de una membrana permeable que deja pasar la mayor parte del fluido, mientras que las partículas contaminantes siguen fluyendo a través de la membrana y finalmente salen a un depósito de residuos.
El equipo se preguntó si la mantarraya podría servir de bioinspiración para llevar a cabo mejoras en el diseño de los filtros industriales de flujo cruzado. Para ello, profundizaron en la dinámica de la filtración por este pez cartilaginoso.
Una clave de vórtice
Como parte de su nuevo estudio, el equipo fabricó un filtro simple inspirado en la raya. El diseño del filtro es lo que los ingenieros denominan un canal filtrante; en efecto, un tubo con agujeros a lo largo de sus lado. En este caso, el canal del equipo consta de dos placas planas de material acrílico transparente que están pegadas en los bordes, con una ligera abertura entre las placas por donde se puede bombear el fluido.
En un extremo del canal, los investigadores insertaron estructuras impresas en 3D que se asemejan a las placas ranuradas que recorren el fondo de la boca de la mantarraya.
El líquido azul representa la estructura de flujo entre las placas de filtro en el aparato experimental. Crédito: Cortesía de los investigadores
A continuación, el equipo bombeó agua por el canal a distintas velocidades, junto con colorante para visualizar el flujo. Tomaron imágenes a través del canal y observaron una transición interesante: a velocidades de bombeo lentas, el flujo era «muy tranquilo»; se deslizaba fácilmente por las ranuras de las placas impresas y salía a un depósito.
Cuando los investigadores aumentaron la velocidad de bombeo, el fluido que fluía más rápido no se deslizaba, sino que parecía arremolinarse en la boca de cada ranura, creando un vórtice, similar a un pequeño nudo de pelo entre las puntas de los dientes de un peine.
«Este vórtice no bloquea el agua, pero sí las partículas — explica Hosoi. Y continúa—: Mientras que en un flujo más lento, las partículas atraviesan el filtro con el agua, a caudales más altos, las partículas intentan atravesar el filtro pero son bloqueadas por este vórtice y en su lugar salen disparadas por el canal».
La mantarraya nada a la justa velocidad para filtrar de forma óptima
En palabras de Hosoi, «el vórtice es útil porque impide que las partículas salgan».
El equipo conjeturó que los vórtices son la clave de la capacidad de la mantarraya para alimentarse por filtración. Esta es capaz de nadar a la velocidad justa para que el agua que entra por su boca forme vórtices entre las placas estriadas. Estos vórtices bloquean eficazmente las partículas de plancton, incluso las más pequeñas que el espacio entre las placas.
Las partículas rebotan en las placas y se dirigen a la cavidad de la raya, mientras que el resto del agua puede seguir fluyendo entre las placas y salir por las branquias.
Los investigadores utilizaron los resultados de sus experimentos, junto con las dimensiones de las características de filtrado de los rayos mobula, para desarrollar un modelo de filtración de flujo cruzado.
«Hemos proporcionado una guía práctica sobre cómo filtrar realmente como lo hace la mantarraya», explica Mao.
«Se trata de diseñar un filtro en el que se generen vórtices —comenta Hosoi. Y concluye—: Nuestras directrices te lo dicen: si quieres que tu planta bombee a una velocidad determinada, entonces tu filtro tiene que tener un diámetro de poro y un espaciado concretos para generar vórtices que filtren partículas de ese tamaño. La mantarraya nos está dando una regla general realmente buena para un diseño racional». ▪️
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: X. Mao, I. Bischofberger, A.E. Hosoi. Permeability–selectivity trade-off for a universal leaky channel inspired by mobula filters. PNAS (2024). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2410018121
