Los animales que se alimentan por filtración están por todas partes en el mundo animal, desde los 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 MIT han descubierto que un animal que se alimenta por filtración ha evolucionado para tamizar los alimentos de maneras que podrían mejorar el diseño de los filtros de agua industriales.

En un artículo que aparece esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, el equipo caracteriza el mecanismo de alimentación por filtración de la raya mobula, una familia de rayas acuáticas que incluye dos especies de mantas y siete rayas diablo. Las rayas mobula se alimentan nadando con la boca abierta a través de regiones del océano ricas en plancton y filtrando partículas de plancton en su garganta a medida que el agua fluye hacia su boca y sale por sus branquias.

La base de la boca de la raya móbula está revestida a ambos lados por estructuras paralelas en forma de peine, llamadas placas, que succionan 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 ellas y se adentre más en la cavidad de la raya, en lugar de salir por las branquias. Además, las branquias de la raya absorben el oxígeno del agua que sale, lo que ayuda a la raya a respirar mientras se alimenta simultáneamente.

“Demostramos que la raya mobula ha desarrollado la geometría de estas placas para lograr el tamaño perfecto para equilibrar la alimentación y la respiración”, dice la autora del estudio Anette “Peko” Hosoi, profesora Pappalardo de Ingeniería Mecánica en el MIT.

Los ingenieros fabricaron un filtro de agua sencillo inspirado en las características de filtrado de plancton de la raya mobula. Estudiaron cómo fluía el agua a través del filtro cuando se le colocaban estructuras en forma de placa impresas en 3D. El equipo tomó los resultados de estos experimentos y trazó un plano que, según afirman, los diseñadores pueden utilizar para optimizar los filtros de flujo cruzado industriales, que son muy similares en configuración a los de la raya mobula.

“Queremos ampliar el espacio de diseño de la filtración de flujo cruzado tradicional con los nuevos conocimientos obtenidos de la manta raya”, afirma el autor principal y estudiante de posdoctorado del MIT Xinyu Mao PhD ´24. “Las personas pueden elegir un régimen de parámetros de la manta raya para poder mejorar potencialmente el rendimiento general del filtro”.

Hosoi y Mao fueron coautores del nuevo estudio con Irmgard Bischofberger, profesora asociada de ingeniería mecánica en el MIT.

Un mejor equilibrio

El nuevo estudio surgió del interés del grupo por la filtración durante el pico de la pandemia de COVID, cuando los investigadores estaban diseñando mascarillas para filtrar el virus. Desde entonces, Mao ha cambiado su 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 agua.

Mao observó que cualquier filtro industrial debe lograr un equilibrio entre la permeabilidad (la facilidad con la que el fluido puede fluir a través de un filtro) y la selectividad (el éxito de un filtro para mantener fuera partículas de un tamaño determinado). Por ejemplo, una membrana que esté llena de agujeros grandes puede ser muy permeable, lo que significa que se puede bombear una gran cantidad de agua utilizando muy poca energía. Sin embargo, los agujeros grandes de la membrana dejarían pasar muchas partículas, lo que la haría muy baja en selectividad. 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 podemos lograr un mejor equilibrio entre permeabilidad y selectividad”, dice Hosoi.

Cuando Mao estudió los animales que se alimentan por filtración, descubrió que la raya mobula había logrado un equilibrio ideal entre permeabilidad y selectividad: la raya es muy permeable, ya que puede dejar que el agua entre en su boca y salga por sus branquias con la suficiente rapidez como para capturar el oxígeno necesario para respirar. Al mismo tiempo, es muy selectiva, ya que filtra y se alimenta de plancton en lugar de dejar que las partículas salgan por las branquias.

Los investigadores se dieron cuenta de que las características de filtrado de los rayos son muy similares a las de los filtros de flujo cruzado industriales. 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 continúan fluyendo a través de la membrana y finalmente salen a un depósito de desechos.

El equipo se preguntó si la raya mobula podría inspirar mejoras en el diseño de filtros de flujo cruzado industriales. Para ello, analizaron en profundidad la dinámica de la filtración con rayas mobula.

Una clave de vórtice

Como parte de su nuevo estudio, el equipo fabricó un filtro simple inspirado en la raya móbula. El diseño del filtro es lo que los ingenieros llaman un "canal con fugas", es decir, un tubo con agujeros a lo largo de sus lados. En este caso, el "canal" del equipo consiste en dos placas acrílicas planas y transparentes que están pegadas entre sí en los bordes, con una pequeña abertura entre las placas a través de la cual 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 raya móbula.

El equipo bombeó agua a través del canal a distintas velocidades, junto con un tinte de color para visualizar el flujo. Tomaron imágenes a lo largo del canal y observaron una transición interesante: a velocidades de bombeo lentas, el flujo era "muy tranquilo" y el fluido se deslizaba fácilmente a través de las ranuras en 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 cabello entre las puntas de los dientes de un peine.

“Este vórtice no bloquea el agua, pero sí las partículas”, explica Hosoi. “Mientras que en un flujo más lento, las partículas pasan por el filtro con el agua, a velocidades de flujo más altas, las partículas intentan atravesar el filtro pero este vórtice las bloquea y las expulsa por el canal. El vórtice es útil porque evita que las partículas salgan”.

El equipo supuso que los vórtices son la clave de la capacidad de las rayas móbula para alimentarse por filtración. La raya es capaz de nadar a la velocidad justa para que el agua, que fluye hacia su boca, pueda formar vórtices entre las placas acanaladas. Estos vórtices bloquean eficazmente cualquier partícula de plancton, incluso aquellas que son más pequeñas que el espacio entre las placas. Las partículas luego rebotan a través de las placas y se dirigen más hacia la cavidad de la raya, mientras que el resto del agua todavía puede fluir 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 las rayas mobula, para desarrollar un modelo para la filtración de flujo cruzado.

“Hemos proporcionado una guía práctica sobre cómo filtrar realmente como lo hace el rayo mobula”, ofrece Mao.

“Hay que diseñar un filtro de manera que se generen vórtices”, afirma Hosoi. “Nuestras directrices indican que, si se quiere que la planta bombee a una determinada velocidad, el filtro debe tener un diámetro y un espaciado de poro determinados para generar vórtices que filtren partículas de ese tamaño. El rayo mobula nos proporciona una regla empírica muy útil para el diseño racional”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. y el Fondo de Becas Harvey P. Greenspan. 

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