為了解鳥類是如何調(diào)整呼吸的，紐約大學(xué)和新澤西理工學(xué)院的科學(xué)家們想到了一套基于簡單模型的評估方法。 在 3 月 19 日發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)、題為《環(huán)形鳥肺網(wǎng)絡(luò)模型中的流量校正》一文中，研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了他們的觀點(diǎn)和論證過程，且新發(fā)現(xiàn)具有工程增強(qiáng)的相關(guān)潛力。

有理論稱：鳥類的肺部結(jié)構(gòu)中包含了環(huán)狀的氣道，可促進(jìn)空氣向一個(gè)方向流動(dòng)，且具有較人類更高的呼吸效率。通過一系列實(shí)驗(yàn)和模擬，研究團(tuán)隊(duì)最終證實(shí)了這一點(diǎn)。

Flow Experiments on a Network With Two Loops(via)

這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)，甚至有助于我們改善呼吸機(jī)等氣體泵送裝置，使之更好、更智能地控制氣流和流量。

研究配圖 - 1：環(huán)狀鳥肺網(wǎng)絡(luò)模型

資深研究作者、紐約大學(xué)庫蘭特?cái)?shù)學(xué)科學(xué)研究所任職的 Leif Ristroph 副教授解釋稱：與空氣較深地流入人肺的分支不同，在鳥類吸入和呼出的時(shí)候，空氣會(huì)在其肺部中沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

2 - Flow Rectification in a Loopy Network(via)

基于此，鳥類才得以執(zhí)行所有動(dòng)物中最困難、且耗能最大的飛行活動(dòng)。無論是翻山越嶺、還是飄揚(yáng)過海，鳥肺都能保持深處的流通，并帶來源源不斷的新鮮空氣。

研究配圖 - 2：強(qiáng)流體網(wǎng)絡(luò)中的流量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

其實(shí)早在一個(gè)世紀(jì)前，科學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鳥類呼吸系統(tǒng)的單向空氣流動(dòng)。但對于這套生理機(jī)制的幕后謎團(tuán)，一直缺少科學(xué)合理的空氣動(dòng)力學(xué)解釋。

研究配圖 - 3：電路中 AC-DC 轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)特性

為此，研究人員們在紐約大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展了一系列模擬鳥類呼吸的實(shí)驗(yàn)。并打造了一套灌滿水的環(huán)狀管道，用以模擬空氣流動(dòng)。然后將微粒混入水中，以追蹤水流的方向。

研究配圖 - 4：非對稱電路仿真

結(jié)果實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀“呼吸”產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，被有效轉(zhuǎn) 換成了繞著環(huán)路其中一個(gè)方向的單向流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室主任 Leif Ristroph 解釋稱，這就是在鳥肺內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)實(shí)情況。

這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)路有點(diǎn)像是道路中的岔口，流量可選擇在岔口處選用哪種路線策略。之后科學(xué)家們通過計(jì)算機(jī)仿真來重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出了更加合理的解釋。

研究合著者、NJIT 助理教授 Anand Oza 表示：慣性往往導(dǎo)致水流一直朝前而不是拐彎，因?yàn)楹笳邥?huì)被渦流所阻礙。由于節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的連接方式，最終導(dǎo)致了環(huán)路循環(huán)的單向流動(dòng)。

至于這項(xiàng)研究的應(yīng)用前景，顯然包括了引導(dǎo)、控制和泵送流體等諸多方面 —— 從醫(yī)療保健、化學(xué)加工，到各種機(jī)械的燃料、潤滑劑、冷卻系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 單向運(yùn)動(dòng) 肺部氣流