El sistema de filtrado de las mantarrayas inspiraría aplicaciones en la industria

Las mantarrayas inspiran mecanismos de filtración de agua

Las mantarrayas son condrictios; o sea, poseen un esqueleto interno de cartílago, lo cual las emparenta con los tiburones. Sin embargo, su alimentación es completamente diferente.

Las mantarrayas se nutren con fitoplancton o zooplancton. Por supuesto, estos organismos son pequeñísimos; así que las mantarrayas aprovechan las corrientes del agua para ingerir la cantidad del alimento que necesitan.

Lo interesante de la forma de amentación de las mantarrayas está en el mecanismo que utilizan: estos animales no mastican su alimento; sino que, a través de unas estructuras denominadas branquiespinas, filtran el agua y se quedan sólo con las partículas sólidas.

Las branquiespinas de las mantarrayas funcionan como un filtro entre el agua y el plancton
Branquiespinas. Crédito: Misty Paig-Tran (AAAS)

Un mecanismo prometedor para la industria

Los sistemas para separar elementos sólidos de los líquidos han sido ampliamente descritos. Existen mecanismos como el tamiz, el flujo cruzado, hidrosol y la separación ciclónica. A pesar de ello, ninguno es cien por ciento efectivo; sus costos resultan altos, los tiempos de filtrado también incrementan, debido a que, en algún punto, se llega a la obstrucción debido a los residuos sólidos. 

En el mundo acuático, existen varios animales que se alimentan de plancton u otros alimentos sólidos; éstos cuentan con mecanismos para filtrar el agua y sólo ingerir sólidos.

Uno de los animales que más llama la atención por su sistema de filtración es la mantarraya. Su mecanismo funciona cuando abre su boca mientras nada; atrapa el plancton y al mismo tiempo expulsa el agua. Si bien la anatomía de la mantarraya es muy conocida, esta herramienta de separación no había sido entendida del todo.

Por el motivo anterior, científicos de la Universidad del Estado de California, a cargo de Raj V. Divi, examinaron la estructura de filtración de la mantarraya.

Por medio de un modelo 3D recrearon los filtros de los lóbulos cefálicos. Después, lo colocaron en un tanque donde, gracias a inyecciones de color, observaron la manera en que el agua se movían. 

Científicos crearon un modelo 3D para simular los filtros de las mantarrayas
Modelo 3D de los filtros de mantarraya. Crédito: Matt Gush (AAAS)

Partículas que rebotan

A través del modelo 3D, observaron que el agua corre detrás del borde de ataque de cada lóbulo en los filtros con dirección a las aletas. De esta manera, se crea un gran vórtice dentro de cada lóbulo. En el caso de los filtros con dirección a los alerones, el patrón de fluido resultó similar, aunque la dirección del flujo libre fue contraria. 

Para comprender la interacción de los elementos sólidos con todo ese flujo de fluidos, introdujeron algunas partículas hidratadas para grabar la trayectoria en los filtros: en ambas direcciones, los sólidos parecían pasar por los bordes de los filtros para después volver al flujo libre. 

Posteriormente, para identificar las fuerzas que provocan que las partículas no entren en los filtros, los científicos desarrollaron una modelo computacional de las dinámicas de los fluidos. Gracias a él, se dieron cuenta de que el contacto de las partículas sólidas con los filtros las hacía rebotar; así, se mantenían en el flujo hasta llegar a la boca de la mantarraya para ser comidas. 

Al entender el funcionamiento del sistema de filtración en las mantarrayas, se abren las puertas para crear aplicaciones industriales que permitan tratar el agua y reducir residuos sólidos como el plástico; de esta manera se evitarían los altos costos de los sistemas actuales y se mejoraría el tiempo de filtrado. 

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