Fåglar andas med större effektivitet än människor på grund av deras lungas struktur - slingade luftvägar som underlättar luftflöden som går i en riktning - ett team av forskare har hittat genom en rad laboratorieexperiment och simuleringar.

Resultaten visas i journalen Fysiska granskningsbrev .

Studien, genomförd av forskare vid New York University och New Jersey Institute of Technology, pekar också på smartare sätt att pumpa vätskor och kontrollera flöden i applikationer som andningsventilatorer.

"Till skillnad från luften flyter djupt i grenarna av våra lungor, som pendlar fram och tillbaka när vi andas in och ut, flödet rör sig i en enda riktning i fågellungorna även när de andas in och ut, "förklarar Leif Ristroph, docent vid NYU:s Courant Institute of Mathematical Sciences och seniorförfattaren till uppsatsen. "Detta gör att de kan utföra den svåraste och mest energiskt dyraste aktiviteten för alla djur:de kan flyga, och de kan göra det över hela oceaner och hela kontinenter och på höjder så höga som Mount Everest, där syret är extremt tunt. "

"Nyckeln är att fågellungor är gjorda av slingade luftvägar-inte bara grenarna och trädliknande strukturen i våra lungor-och vi fann att detta leder till enkelriktade eller riktade flöden runt öglorna, "tillägger Ristroph." Denna vind ventilerar även de djupa urtagen i lungorna och tillför frisk luft. "

Envägsflödet av luft i fåglarnas andningssystem upptäcktes för ett sekel sedan. Men det som hade förblivit ett mysterium var en förklaring till aerodynamiken bakom detta effektiva andningssystem.

För att utforska detta, forskarna genomförde en rad experiment som efterliknade fåglarnas andning i NYU:s Applied Mathematics Lab.

För experimenten, de byggde rör som var fyllda med vatten-för att replikera luftflödet-och böjde rören för att imitera den slingliknande strukturen i fåglarnas lungor-på samma sätt som motorvägar är anslutna med på-ramper och av-ramper. Forskarna blandade mikropartiklar i vattnet, vilket gjorde att de kunde spåra vattenflödets riktning.

Dessa experiment visade att fram och tillbaka rörelser som genereras genom andning omvandlades till envägsflöden runt öglorna.

"Detta är i huvudsak vad som händer inuti lungorna, men nu kunde vi faktiskt se och mäta - och därmed förstå - vad som hände, "förklarar Ristroph, chef för Applied Mathematics Lab. "Så här fungerar det att nätverket har slingor och därmed korsningar, som är lite som "gafflar på vägen" där flödena har val om vilken rutt man ska ta. "

Forskarna använde sedan datasimuleringar för att reproducera experimentella resultat och bättre förstå mekanismerna.

"Tröghet tenderar att orsaka att flödena fortsätter rakt istället för att svänga ner på en sidogata, som hindras av en virvel, "förklarar NJIT biträdande professor och medförfattare Anand Oza." Detta slutar leda till enkelriktade flöden och cirkulation runt slingor på grund av hur korsningarna är anslutna till nätverket. "

Ristroph pekar på flera potentiella tekniska användningsområden för dessa fynd.

"Regissera, kontrollerande, och pumpa vätskor är ett mycket vanligt mål i många applikationer, från sjukvård till kemisk bearbetning till bränsle, smörjmedel, och kylvätskesystem i alla typer av maskiner, "observerar han." I alla dessa fall, vi måste pumpa vätskor i specifika riktningar för specifika ändamål, och nu har vi lärt oss av fåglar ett helt nytt sätt att åstadkomma detta som vi hoppas kan användas i vår teknik. "

Tidningens andra författare var Steve Childress, emeritusprofessor vid Courant Institute och meddirektör för Applied Mathematics Lab; Quynh Nguyen, en NYU fysik doktorand; Joanna Abouezzi och Guanhua Sun, NYU -studenter vid tidpunkten för forskningen; och Christina Frederick, en biträdande professor vid NJIT.