自人类创造性活动开始以来，大自然一直是灵感的源泉。对于南达科他州立大学机械工程系的助理教授SaikatBasu来说，这仍然是正确的，他从猪的鼻子中获得灵感，研究改善空气过滤的方法。

“研究人员还没有尝试设计基于表达式的工程过滤和热调节装置，更具体地说，从吸入空气中捕捉颗粒的趋势和从鼻组织到空气的热传递现象，在这种动物的鼻子中可以看到”巴苏解释道。“这是一个新颖的想法。”

猪(Susdomesticus)是最早被驯化的动物之一。考古证据表明，猪是在8000年前从野猪在中国驯化的，在现在的埃及地区则是11400多年前。从那时起，这种动物——尤其是猪的鼻子——已经进化以适应各种气候。

鼻子(猪的鼻子)在人类和动物身上都起着非常重要的作用。鼻子是任何生物体与环境相互作用的关键组成部分。吸入空气时，鼻子通过鼻腔和气道加热空气，以保护重要的内部器官。这对人类和猪都是如此。此外，鼻腔是抵御空气传播的病原体、疾病、细菌和其他外部颗粒的第一道防线。蜿蜒的鼻腔通道和由此产生的复杂气流模式有助于捕获颗粒和过滤空气。

因为猪喜欢在有很多灰尘的地方进食，所以猪的鼻子必须特别擅长过滤掉有害颗粒。猪还必须适应各种气候，形成形态复杂的鼻腔结构。对于生活在南达科他州的猪来说，鼻子在加热吸入的冷空气方面变得非常高效。

“即使是人类，我们也需要先加热空气，然后才能将其吸入肺部，”巴苏说。“生活在寒冷气候中的动物由于它们的气道而更有效地加热空气。”

如果将猪的鼻子与人的鼻子进行比较——尤其是靠近鼻窦腔的横截面——猪的鼻子要突出和曲折得多。

“这是我们想要研究这种动物的原因之一，”巴苏说。“我们想看看该区域的复杂形态是否在某种程度上有所帮助，或者它们是否正在影响流体力学。我们还想看看这是否可以与第1项、空气颗粒过滤和第2项相关联，传播热量。”

该研究最近发表在综合与比较生物学杂志上。

空气过滤器

近年来，改善空气过滤一直是研究人员关注的焦点。由于COVID-19大流行，了解过滤如何更好地捕获有害颗粒已成为越来越多的研究重点。在与该项目相关的先前研究中，Basu研究了改善口罩内部过滤的方法。

Basu补充说：“以前，我们正在努力设计面罩中的过滤器，它会像动物的气道一样复杂。”

在这个项目中，Basu与康奈尔大学的教员SunghwanJung以及伊利诺伊大学香槟分校的教员LeonardoChamorro合作。此前，该团队曾合作开展NSF支持的项目，该项目设计了受动物鼻子启发的过滤器，包括猪、负鼠和狗。这个项目是他们之前工作的一个分支。

在空气过滤器方面，高效微粒空气(HEPA)过滤器是目前的黄金标准。根据美国环境保护署的说法，这些过滤器理论上可以去除至少99.97%的灰尘、花粉、霉菌、细菌和任何空气中尺寸为0.3微米的颗粒。根据Basu的说法，HEPA过滤器面临的挑战是它们没有达到应有的能效。因此，需要设计一种既能去除有害颗粒又能效高的空气过滤器。

合作研究

康奈尔大学的研究人员对猪进行了CT扫描并描述了它们鼻子的几何形状，这为Basu和他的研究团队提供了设计可以模拟气流和热传递模拟的过滤器模型的蓝图。UIUC的团队对Basu的数值建模研究进行了后续实验验证。

模拟的主要发现之一是解剖结构区域之间的热传递差异。当空气进入​​鼻子时，会发生高热传递，但随着空气流过鼻腔通道，热传递会逐渐减弱。

“随着空气进​​一步进入鼻腔，热传递下降，”巴苏说。“这意味着空气正在达到周围温暖组织的温度。”

Basu发现，基于猪鼻子的模型提供了大量的热传递——空调过滤器的关键元素——并且能够捕获几乎所有超过10微米的颗粒。然而，随着颗粒变小(小于10微米)，捕获颗粒的效率下降，Basu解释说。

“缺点是，如果我们观察颗粒大小，2微米、4微米，甚至可能是5和6微米，就这些颗粒中有多少将被过滤而言，效率非常低，”Basu说。“如果你看看HEPA过滤器，那些颗粒也会被捕获，但如果你看看我们的仿生模型设计，它们就不会被捕获。”

这是一个关键问题——就空气粒子研究而言——仍然存在的领域。例如，是否需要用空气过滤器过滤小于10微米的微粒以防止病毒感染?

根据Basu和其他人之前的研究，较小的微米(5微米以下)在它们可以携带多少病毒载量方面并不占主导地位。如果对有害空气颗粒的进一步研究表明“更小”微米(10微米以下)的病毒载量不会对暴露的人体造成呼吸道感染有害，那么Basu的设计可以捕捉10微米的颗粒并且更大，可以以比HEPA过滤器更低的能耗率运行，同时仍提供相同级别的安全性。

“我们基本上是在我们想要捕获的粒子之间进行优化，”巴苏说。“这些设计的灵感来自大自然，从我们的初步研究来看，我们看到这些设计在吸入空气并将空气与有害颗粒分离的同时将具有能源效率。”