Kể từ khi bắt đầu sáng tạo, con người chúng ta lấy nguồn cảm hứng cho hoạt động này từ thiên nhiên. Phó giáo sư Saikat Basu tại Khoa Cơ khí của Đại học Bang Nam Dakota cũng không phải ngoại lệ. Anh đã tìm thấy cảm hứng từ chiếc mũi lợn để tìm tòi những cách cải thiện quá trình lọc không khí.
Anh Basu chia sẻ: “Cho tới nay chưa có nhà nghiên cứu nào từng thử thiết kế thiết bị lọc kỹ thuật và điều hòa nhiệt độ dựa trên biểu hiện ở mũi của loài động vật này, hay cụ thể hơn là xu hướng giữ lại các hạt từ không khí hít vào và hiện tượng truyền nhiệt từ mô mũi tới không khí. Đây là một ý tưởng mới lạ”.
Lợn (Sus localus) là một trong những con vật sớm nhất được thuần hóa. Bằng chứng khảo cổ học cho thấy lợn đã được thuần hóa ở Trung Quốc, từ lợn rừng cách đây 8.000 năm và hơn 11.400 năm trước ở khu vực ngày nay là Ai Cập. Kể từ đó, loài vật này — đặc biệt là mũi lợn — đã tiến hóa để thích nghi với nhiều loại khí hậu.
Mũi có vai trò vô cùng quan trọng đối với cả người và động vật. Đó là thành phần quan trọng trong bất kỳ tương tác môi trường nào của sinh vật. Khi hít vào, mũi sẽ làm ấm không khí qua khoang mũi và đường hô hấp để bảo vệ các cơ quan nội tạng quan trọng. Điều này đúng cả ở người và lợn. Hơn nữa, khoang mũi đóng vai trò là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại mầm bệnh, bệnh tật, vi khuẩn và các hạt khác trong không khí. Các đường mũi quanh co và kết quả là các mô hình luồng không khí phức tạp giúp giữ lại các hạt và lọc không khí.
Vì lợn hay ăn ở những nơi nhiều bụi nên mũi của chúng có khả năng lọc các hạt có hại rất tốt. Con vật này cũng phải thích nghi với nhiều loại khí hậu, vì thế nó có cấu trúc mũi phức tạp về mặt hình thái. Đối với những con lợn sống ở Nam Dakota, mũi chúng cực kỳ hiệu quả trong việc làm ấm không khí lạnh hít vào.
Khi so sánh mũi lợn với mũi người – nhất là các mặt cắt ngang gần hốc xoang – thì ta thấy mũi lợn nổi bật và phức tạp hơn nhiều.
Anh Basu chia sẻ đây là lý do nhóm nghiên cứu muốn quan sát loài vật này. Họ muốn biết liệu hình thái phức tạp của mũi lợn có ảnh hưởng tới cơ học chất lỏng hay không, đồng thời liệu nó có tương quan với quá trình lọc hạt không khí và truyền nhiệt.
Bộ lọc không khí
Vài năm trở lại đây, cải thiện khả năng lọc không khí đã trở thành mối quan tâm với các họ chú trọng tìm hiểu cách làm sao để hệ thống lọc giữ lại các hạt gây hại tốt hơn. Trong nghiên cứu trước liên quan tới dự án này, Basu đã nghiên cứu những cách cải thiện khả năng lọc bên trong khẩu trang.
Với dự án này, Basu đã hợp tác với giảng viên Sunghwan Jung tại Đại học Cornell và giảng viên Leonardo Chamorro từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign. Trước đây, nhóm đã hợp tác trong dự án do NSF hỗ trợ nhằm thiết kế các bộ lọc lấy cảm hứng từ mũi động vật, bao gồm lợn, thú có túi và chó. Dự án này là một nhánh của công trình trước đây của họ.
Hiện nay, bộ lọc không khí hiệu quả cao (HEPA) là tiêu chuẩn vàng. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, các bộ lọc này về mặt lý thuyết loại bỏ ít nhất 99,97% bụi, phấn hoa, nấm mốc, vi khuẩn và bất kỳ loại hạt nào trong không khí có kích thước 0,3 micromet. Theo Basu, thách thức với các bộ lọc HEPA là chúng tiêu tốn nhiều năng lượng. Do vậy, thiết kết ra một bộ lọc không khí vừa có thể loại bỏ các hạt có hại vừa tiết kiệm năng lượng là điều cần thiết.
Nghiên cứu hợp tác
Các nhà nghiên cứu tại ĐH Cornell đã quét CT trên lợn và mô tả rõ hình dạng mũi của chúng. Điều này mang lại cho Basu và nhóm nghiên cứu bản phác thảo để thiết kế ra những mô hình lọc đầu tiên có thể mô phỏng luồng khí lẫn truyền nhiệt. Còn nhóm tại ĐH Illinois thực hiện các xác nhận thử nghiệm tiếp theo về nghiên cứu mô hình số của Basu.
Một trong những phát hiện quan trọng từ các mô phỏng này là sự khác biệt trong việc truyền nhiệt giữa các khu vực trong cấu trúc giải phẫu. Khi không khí tiến vào mũi thì nhiều nhiệt được truyền vào, song nhiệt độ giảm dần khi không khí di chuyển qua đường mũi. Như vậy tức là nhiệt độ không khí sắp bằng với các mô ấm hơn xung quanh.
Basu phát hiện thấy mô hình dựa trên mũi lợn cung cấp một lượng truyền nhiệt tốt – đây là yếu tố quan trọng đối với bộ lọc điều hòa không khí, và có thể giữ lại hầu hết những hạt có kích thước lớn hơn 10 micromet. Tuy nhiên, khi kích thước hạt nhỏ hơn 10 micromet thì hiệu quả này giảm đi.
Đây chính là nhược điểm của thiết kế mô hình dựa trên sinh học của nhóm nghiên cứu, bởi các bộ lọc HEPA có thể giữ lại những hạt có kích thước nhỏ như vậy, còn thiết kế này thì không.
Song, từ đây, một câu hỏi quan trọng về nghiên cứu hạt không khí lại nảy sinh. Chẳng hạn, liệu những hạt với kích thước dưới 10 micromet có cần được bộ lọc không khí giữ lại để ngăn nhiễm virus hay không?
Theo nghiên cứu trước đây của Basu và những người khác, các hạt nhỏ có kích thước dưới 5 micromet không mang được nhiều lượng virus. Nếu sau này, nghiên cứu sâu hơn về các hạt trong không khí có hại tán thành quan điểm các hạt nhỏ dưới 10 micromet không mang tải lượng virus gây nhiễm trùng đường hô hấp ở người, vậy thì thiết kế của Basu, giữ lại được các hạt có kích thước từ 10 micromet trở lên, có thể được đưa vào sử dụng với mức tiêu hao năng lượng thấp hơn các bộ lọc HEPA, trong khi vẫn có độ an toàn tương đương.
Basu lưu ý, giữa nghiên cứu của nhóm anh và ngành sản xuất bộ lọc không khí có một khoảng cách đáng kể, song thật thú vị khi thấy rằng cơ sở khoa học để phát triển đang hiện diện rồi.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Integrative and Comparative Biology.
Nguồn: phys.org