覆盖管网将反向和向外流入单向流程

基于鸟类肺部结构的一个简单的管道网络转变为单向流程。

灵感来自鸟类呼吸系统中的结构，研究人员已经证明，通过通过正确连接的管道连接，可以将振荡流转换为单向流程[1]。概念的元素先前已经由其他人研究鸟肺提出，但新工作直接验证了实验室中的想法，包括解释潜在原则的模拟。结果可能导致用于操纵流体电路内的高速流动的新方法，例如化学加工和机器冷却系统。

一个世纪前，生理学家取得了卓越的观察。虽然气流方向在大多数哺乳动物的肺部吸入和呼气时振荡，但鸟肺是不同的 - 氧气吸收组织的气流是单向的。实现这种流动整流的系统变换为单向一体化的振荡流程，通常依赖于防止后向流的二极管或阀门等部件。禽肺缺乏这样的组成部分，但研究人员已经假设了通过两个管道的交界处移动的空气惯性可以导致阀门的效果。

纽约大学的莱夫·鲁西菲利夫和他的同事意识到阀门效果只能导致肺部的航空网络具有适当的结构。这种网络在鸟类中的连接导致空气在完全电路中流动，与哺乳动物肺不同。但是，既不清楚封闭环和交界处的结合是必需的，也不是如何完全解释基本机制。

要了解出来，团队建立了简单的管道网络，从闭合环的橡胶管开始。它们用水填充它并将其连接到泵，该泵迫使水顺时针和逆时针交替地流动。接下来，该团队使用了T结以在两个位置连接较小的管道段，但是两个T在不同的方向上，彼此处于90度。这种不对称性对于整顿至关重要。使用泵运行，在循环中发生整流，包括段和原始循环的一部分。放置在水中的颗粒振荡但通过在每个周期中的向后移动比向后移动逐渐进展。同时，原始循环的剩余部分中的粒子没有进展。 “本质上讲，肺部内部会发生什么;现在我们实际上可以看到和衡量正在发生的事情，“ristroph说。

使用直径1.6厘米的刚性管道，团队建立了一个较大的网络，其具有不同的结构，在相同的原理上运行。监测置于水中的微粒允许研究人员测量泵振荡的各种频率和幅度的流动。

更简单的管结构的计算机模拟显示了整改的效果：在每个T结时，涡流出现在一个流动方向上的“侧街”，而不是在反向期间。在每个振荡循环期间，该瓣膜样效果发生在不同时间的两个T结处。

整流效果依赖于涡流，其在更高的流量速度下更普遍 - 哪些流体研究人员描述为更高的雷诺数。 ristroph和他的同事在他们的模拟和实验中发现，效果在2000年以上的雷诺数（用于1.6厘米直径的管道的流体速度为约1cm / s的流体速度）。但是对于雷诺数的流量仍然可观察到低至100的流量（在同一实验中的液体速度为约10cm / s）。

“事实证明，对于高雷诺数，新物理学踢在这方面，打开了流量控制的令人兴奋的机会，”鲁博斯说。例如，可以应用效果以产生流体电路，该流体电路将大量的冷却剂或润滑剂泵送在机器中。机器的振动可以在宽泛的网络中提供振动迫使，以便通过系统泵送流体。

“本文是一个令人着迷的演示，令人着迷的叙述性高雷诺数可以是，宾夕法尼亚大学的Eleni Katifori说，他研究了由生物传输网络启发的结构。 “这项工作简单，优雅，原创。”

Q. M. nguyen等，“鸟肺的循环网络模型中的流动整流”，“物理”。 rev. lett。 126,114501（2021）。

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