深海海绵的零能量流量控制可以激发新的节能设计

金星花篮海绵具有精致的玻璃状晶格外骨架，长期以来一直引起研究人员的兴趣，他们试图解释这种看似脆弱的生物的身体如何能够承受其生活的深海的恶劣条件。

现在，新的研究揭示了这种古老动物结构的另一项工程壮举：它能够仅利用海洋深处微弱的环境水流来过滤饲料，无需抽水。

由罗马大学TorVergata和纽约大学坦登工程学院共同领导的国际研究小组发现的自然“零能量”流量控制可以帮助工程师设计更高效的化学反应器、空气净化系统、热交换器、液压系统、和空气动力表面。

在《物理评论快报》发表的一项研究中，研究小组通过极高分辨率的计算机模拟发现，金星花篮海绵(Euplectellaaspergillum)的骨骼结构如何将非常缓慢的深海洋流转向向上流入其中央体腔，因此可以以浮游生物和其他从水中过滤出来的海洋碎屑为食。

海绵通过其螺旋状、脊状的外表面实现这一点，其功能就像螺旋楼梯一样。这使得它能够通过其多孔的格子状框架被动地向上抽水，而无需抽水的能量需求。

纽约大学坦登研究所教授兼城市科学中心主任毛里齐奥·波菲里(MaurizioPorfiri)表示：“我们的研究解决了近年来出现的一个争论：维纳斯花篮海绵可能能够被动地吸收营养，而不需要任何主动泵送机制。”+Progress(CUSP)，共同领导了这项研究并共同监督了这项研究。“这是一种令人难以置信的适应能力，使这种滤食性动物能够在通常不适合悬浮饲养的水流中茁壮成长。”

在较高的流速下，晶格结构有助于减少对生物体的阻力。但正是在近乎静止的深海海底，这种自然通风系统最为引人注目，并展示了海绵如何很好地适应其恶劣的环境。研究发现，海绵被动吸取食物的能力只有在其栖息地的当前速度非常慢(每秒仅厘米)时才起作用。

罗马和哈佛大学托尔维加塔大学的贾科莫·法尔库奇(GiacomoFalcucci)表示：“从工程角度来看，海绵的骨骼系统显示出对其环境的显着适应，不仅从结构角度来看，而且还从其流体动力学性能角度来看。”大学，论文第一作者。

Falcucci与Porfiri共同领导了这项研究，共同监督了研究并设计了计算机模拟。“海绵已经找到了一种优雅的解决方案，可以最大限度地提高营养供应，同时完全通过被动机制运行。”

研究人员使用意大利CINECA超级计算中心强大的Leonardo超级计算机创建了高度逼真的海绵3D复制品，其中包含约1000亿个单独的点，重现了海绵复杂的螺旋脊结构。这种“数字双胞胎”允许在活体海绵上进行不可能的实验，因为活体海绵无法在深海环境之外生存。

该团队对金星花篮海绵骨架的计算机模型周围和内部的水流进行了高度详细的模拟。凭借莱昂纳多强大的计算能力，每秒可进行千万亿次计算，他们可以模拟各种水流速度和条件。

研究人员表示，他们发现的仿生工程见解可以通过优化内部流动模式同时最大限度地减少外部阻力来帮助指导更高效反应堆的设计。类似的脊状多孔表面可以增强摩天大楼和其他结构中的空气过滤和通风系统。不对称的螺旋脊甚至可以激发低阻力的船体或机身，在促进内部空气流动的同时保持流线型。

该研究建立在该团队之前于2021年在《自然》杂志上发表的金星花篮海绵研究的基础上，其中揭示了它首次模拟了深海海绵以及它如何响应和影响附近水流。