Research press release

【バイオエンジニアリング】魚の口から着想を得た高効率フィルター

Nature Communications

Bioengineering: Fish mouths inspire efficient filters

濾過摂食魚の口の構造から着想した新しい流体濾過機構を用いると、流体の渦流によって粒子を効果的に捕捉でき、この粒子捕捉機構によってフィルター自体のメッシュサイズより小さな粒子も捕捉できる可能性のあることを明らかにした論文が掲載される。この新知見は、流体の効果的な濾過を必要とするさまざまな工業的用途(ビールや乳製品の製造)に利用できる可能性がある。

キンギョやジンベイザメのような濾過摂食魚は、口腔内のフィルターによって食物粒子を捕捉しており、このフィルターは不必要な物質の破片で詰まったりしない。しかし、濾過摂食魚のフィルターが目詰まりを起こさない流体力学過程は、今日まで明らかになっていない。

今回、Laurie Sandersonたちは、ヘラチョウザメとウバザメの口腔内の鰓弓という構造から着想した円錐形のナイロン製モデルを3Dプリンターで作製するように設計した。そして、Sandersonたちは、実験流水槽にこのモデルと3匹のヘラチョウザメの標本の口腔構造を入れて、それぞれの作用を調べた。その結果、このモデルとヘラチョウザメの濾過構造は、流体に渦流を発生させ、それによって食物粒子が捕捉され、目詰まりが防止されることが明らかになった。鰓弓は、骨質または軟骨のアーチで、鰓を支え、特異的な肋骨(いわゆる「d型肋骨」)として機能し、魚の口腔内の水の流れを誘導して、水流や渦流を発生させる。また、この肋骨は小さな粒子を濃縮する上で役立ち、食物の捕捉効率を高めている。

このいわゆる渦流クロスステップ濾過(vortical cross-step filtration)方式は、類似の口腔構造を有する他の濾過摂食魚(例えば、オタマジャクシの鰓弁、アヒルのくちばしの鰓弁、クジラのヒゲ板)にも拡大適用できるとSandersonたちは考えている。今回の研究で得られた新知見は、これまでより効率の高い工業用フィルターの設計に道を開き、効率の高い濾過方式の開発につながる可能性もある。

A new fluid-filtering mechanism inspired by the mouth structure of filter-feeding fish allows particles to be effectively trapped thanks to vortices in the fluids. This mechanism allows particles to be retained, potentially even when the particles are smaller than the mesh size of the filter itself, finds a study in Nature Communications. The findings may be used in a range of industrial applications where effective filtration of fluids is required, such as production of beer and dairy foods.

Filter-feeding fish, such as goldfish and whale sharks, are able to retain food particles without clogging their oral filter with unwanted debris. However, the fluid dynamic processes that enable filter-feeding fish to avoid clogging have been unclear until now.

Laurie Sanderson and colleagues design cone shaped, 3D printed, nylon plastic models inspired by structures known as gill arches in the mouths of paddlefish and basking sharks. They study the models’ activity in an experimental flow tank, as well as the mouth structure of three paddlefish specimens. The authors show that the filtering structures in the models and the fish operate by creating vortices in the fluid that trap food particles and prevent clogging. The gill arches - bony or cartilaginous arches that support the gills - function as specific ribs (so-called ‘d-type’) that help to channel the flow of water in the fish mouth, creating currents and vortices. These ribs help to concentrate small particles, improving the efficiency of food capture.

The authors propose that this mechanism - so-called ‘vortical cross-step filtration’ - can be extended to other filter feeding organisms with similar oral architecture, such as tadpole gill filters, duck beak lamellae and whale baleen plates. The findings may also pave the way for more efficient industrial filters to be designed, potentially leading to more efficient filter processes.

doi: 10.1038/ncomms11092

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