Desde el comienzo de la actividad creativa humana, la naturaleza ha servido como fuente de inspiración. Eso sigue siendo cierto para Saikat Basu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Dakota del Sur, quien se inspiró en el hocico de un cerdo para investigar formas de mejorar la filtración del aire.
por Addison Dehaven, Universidad Estatal de Dakota del Sur
«Los investigadores aún no han intentado diseñar dispositivos de ingeniería de filtración y acondicionamiento térmico basados en expresiones, más específicamente en las tendencias de captura de partículas del aire inhalado y los fenómenos de transferencia de calor de los tejidos nasales al aire, que se ven en la nariz de este tipo de animales». «, explicó Basu. «Esta fue una idea novedosa».
Los cerdos (Sus domesticus) estuvieron entre los primeros animales en ser domesticados. La evidencia arqueológica sugiere que los cerdos fueron domesticados en China, a partir del jabalí, hace 8.000 años y hace más de 11.400 años en la región que ahora es Egipto. Desde entonces, el animal, en particular el hocico del cerdo, ha evolucionado para adaptarse a una variedad de climas.
La nariz (hocico de los cerdos) juega un papel muy importante tanto en humanos como en animales. La nariz es un componente clave en las interacciones ambientales de cualquier organismo. Cuando se inhala aire, la nariz calienta el aire a través de la cavidad nasal y las vías respiratorias para proteger los órganos internos clave. Esto es cierto tanto para humanos como para cerdos. Además, la cavidad nasal actúa como la primera línea de defensa contra patógenos, enfermedades, bacterias y otras partículas externas transportadas por el aire. Los conductos nasales sinuosos y los complejos patrones de flujo de aire resultantes ayudan a capturar partículas y filtrar el aire.
Debido a que los cerdos tienden a comer en áreas donde hay mucho polvo, el hocico debe ser particularmente hábil para filtrar partículas dañinas. Los cerdos también han tenido que adaptarse a una variedad de climas, creando estructuras nasales morfológicamente complejas. Para los cerdos que viven en Dakota del Sur, el hocico se ha vuelto muy eficiente para calentar el aire frío que inhalan.
«Incluso como seres humanos, necesitamos calentar el aire antes de que podamos respirarlo en nuestros pulmones», dijo Basu. «Los animales que viven en climas más fríos son mucho más eficientes para calentar el aire debido a sus vías respiratorias».
Si compara el hocico del cerdo con la nariz humana, en particular las secciones transversales cerca de las cavidades de los senos paranasales, el del cerdo es mucho más prominente y tortuoso.
«Esta fue una de las razones por las que queríamos mirar a este animal», dijo Basu. «Queríamos ver si la morfología compleja del área está ayudando de alguna manera o si están influyendo en la mecánica de fluidos. También queríamos ver si eso se puede correlacionar con el número 1, la filtración de partículas de aire y el número 2. , transferencia de calor.»
La investigación fue publicada recientemente en Integrative and Comparative Biology .
Filtros de aire
En los últimos años, mejorar la filtración del aire ha sido un punto de enfoque para los investigadores. Debido a la pandemia de COVID-19, la comprensión de cómo la filtración puede capturar mejor las partículas dañinas ha visto un mayor nivel de énfasis en la investigación. En investigaciones anteriores relacionadas con este proyecto, Basu investigó formas de mejorar la filtración dentro de las máscaras.
«Anteriormente, trabajábamos para diseñar filtros en una máscara que sería tan compleja como las vías respiratorias de los animales», agregó Basu.
Para este proyecto, Basu colaboró con un miembro de la facultad de la Universidad de Cornell, Sunghwan Jung, así como con un miembro de la facultad de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Leonardo Chamorro. Anteriormente, el equipo había colaborado en el proyecto respaldado por NSF que diseñó filtros inspirados en narices de animales, incluidos cerdos, zarigüeyas y perros. Este proyecto fue una rama de su trabajo anterior.
En términos de filtros de aire , los filtros de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA) son actualmente el estándar de oro. Según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, estos filtros eliminan teóricamente al menos el 99,97 % del polvo, el polen, el moho, las bacterias y cualquier partícula en el aire con un tamaño de 0,3 micrones. El desafío con los filtros HEPA, según Basu, es que no son tan eficientes energéticamente como podrían ser. Por lo tanto, existe la necesidad de diseñar un filtro de aire que sea competente para eliminar partículas dañinas y que sea energéticamente eficiente.
Investigación colaborativa
Los investigadores de Cornell realizaron tomografías computarizadas en cerdos y caracterizaron la geometría de sus narices, lo que proporcionó a Basu y su equipo de investigación el plan para diseñar modelos de filtro que pudieran simular el flujo de aire y las simulaciones de transferencia de calor. El equipo de la UIUC realizó validaciones experimentales de seguimiento de la investigación de modelos numéricos de Basu.
Uno de los hallazgos clave de las simulaciones fueron las diferencias en la transferencia de calor entre las áreas de las estructuras anatómicas. Cuando el aire entra en la nariz, hay una gran transferencia de calor, pero se va desvaneciendo a medida que el aire se mueve a través de las fosas nasales.
«A medida que el aire viaja más hacia la cavidad nasal, la transferencia de calor disminuye», dijo Basu. «Lo que implica que el aire está alcanzando la temperatura de los tejidos circundantes más cálidos».
Basu descubrió que el modelo basado en la nariz del cerdo proporcionaba una buena cantidad de transferencia de calor, un elemento crucial para un filtro de aire acondicionado, y podía capturar casi todas las partículas de más de 10 micrones. Sin embargo, a medida que las partículas se hicieron más pequeñas (menos de 10 micrones), la eficiencia de captura de partículas disminuyó, explicó Basu.
«La desventaja es que si observamos el tamaño de las partículas, dos micrones, cuatro micrones, incluso quizás cinco y seis micrones, la eficiencia es bastante baja en términos de cuántas de esas partículas se filtrarán», dijo Basu. «Si observa los filtros HEPA, esas partículas también quedarán atrapadas, pero si observa nuestro diseño de modelo bioinspirado, no lo estarán».
Esta es un área donde queda una pregunta clave, en términos de investigación de partículas de aire. ¿Las micras, por debajo de 10, necesitan ser atrapadas por filtros de aire para mantenerse a salvo de infecciones virales , por ejemplo?
De acuerdo con las investigaciones previas de Basu y otros , las micras más pequeñas (menos de cinco micras) no son dominantes en términos de la cantidad de carga viral que pueden transportar. Si investigaciones adicionales sobre partículas de aire dañinas coinciden en que las micras «más pequeñas» (menos de 10 micras) no son dañinas en términos de su carga viral que puede desencadenar infecciones respiratorias en un sujeto humano expuesto, entonces el diseño de Basu, que captura partículas de 10 micras de tamaño y más grandes, podrían operar a una tasa de consumo de energía más baja que los filtros HEPA, al mismo tiempo que brindan el mismo nivel de seguridad.
«Básicamente estamos optimizando entre las partículas que queremos capturar», dijo Basu. «Los diseños están inspirados en la naturaleza y, a partir de nuestra investigación inicial, vemos que esos diseños serán energéticamente eficientes mientras aspiran aire y separan el aire de esas partículas dañinas».
Como señala Basu, existe una brecha significativa entre la investigación de su equipo y la producción de la industria de filtros de aire, pero es emocionante ver que la ciencia para este desarrollo está ahí.
Más información: Jisoo Yuk et al, Morfología de la estructura nasal del cerdo y modulación del flujo de aire y acondicionamiento térmico básico, Biología Integrativa y Comparada (2023). DOI: 10.1093/icb/icad005
