实验论证了鸟类呼吸时肺部气流环路的单向运动

为了解鸟类是如何调整呼吸的,纽约大学和新泽西理工学院的科学家们想到了一套基于简单模型的评估方法。 在 3 月 19 日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)、题为《环形鸟肺网络模型中的流量校正》一文中,研究团队详细介绍了他们的观点和论证过程,且新发现具有工程增强的相关潜力。

近似于鸟肺的“球形鸡”呼吸示意图(来自:纽约大学应用数学实验室)

有理论称:鸟类的肺部结构中包含了环状的气道,可促进空气向一个方向流动,且具有较人类更高的呼吸效率。通过一系列实验和模拟,研究团队最终证实了这一点。

Flow Experiments on a Network With Two Loops(via)

这项研究的发现,甚至有助于我们改善呼吸机等气体泵送装置,使之更好、更智能地控制气流和流量。

研究配图 - 1:环状鸟肺网络模型

资深研究作者、纽约大学库兰特数学科学研究所任职的 Leif Ristroph 副教授解释称:与空气较深地流入人肺的分支不同,在鸟类吸入和呼出的时候,空气会在其肺部中沿着一个方向运动。

2 - Flow Rectification in a Loopy Network(via)

基于此,鸟类才得以执行所有动物中最困难、且耗能最大的飞行活动。无论是翻山越岭、还是飘扬过海,鸟肺都能保持深处的流通,并带来源源不断的新鲜空气。

研究配图 - 2:强流体网络中的流量实验系统

其实早在一个世纪前,科学家们就已经发现了鸟类呼吸系统的单向空气流动。但对于这套生理机制的幕后谜团,一直缺少科学合理的空气动力学解释。

研究配图 - 3:电路中 AC-DC 转换的实验特性

为此,研究人员们在纽约大学应用数学实验室开展了一系列模拟鸟类呼吸的实验。并打造了一套灌满水的环状管道,用以模拟空气流动。然后将微粒混入水中,以追踪水流的方向。

研究配图 - 4:非对称电路仿真

结果实验发现,环状“呼吸”产生的往复运动,被有效转换成了绕着环路其中一个方向的单向流动。实验室主任 Leif Ristroph 解释称,这就是在鸟肺内部发生的现实情况。

这种网络环路有点像是道路中的岔口,流量可选择在岔口处选用哪种路线策略。之后科学家们通过计算机仿真来重现了实验结果,并给出了更加合理的解释。

研究合著者、NJIT 助理教授 Anand Oza 表示:惯性往往导致水流一直朝前而不是拐弯,因为后者会被涡流所阻碍。由于节点在网络中的连接方式,最终导致了环路循环的单向流动。

至于这项研究的应用前景,显然包括了引导、控制和泵送流体等诸多方面 —— 从医疗保健、化学加工,到各种机械的燃料、润滑剂、冷却系统。

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