為了解鳥類是如何調整呼吸的，紐約大學和新澤西理工學院的科學家們想到了一套基於簡單模型的評估方法。在 3 月 19 日發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）、題為《環形鳥肺網絡模型中的流量校正》一文中，研究團隊詳細介紹了他們的觀點和論證過程，且新發現具有工程增強的相關潛力。
近似於鳥肺的「球形雞」呼吸示意圖（來自：紐約大學應用數學實驗室）
有理論稱：鳥類的肺部結構中包含了環狀的氣道，可促進空氣向一個方向流動，且具有較人類更高的呼吸效率。通過一系列實驗和模擬，研究團隊最終證實了這一點。
Flow Experiments on a Network With Two Loops（via）
這項研究的發現，甚至有助於我們改善呼吸機等氣體泵送裝置，使之更好、更智能地控制氣流和流量。
研究配圖 – 1：環狀鳥肺網絡模型
資深研究作者、紐約大學庫蘭特數學科學研究所任職的 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候，空氣會在其肺部中沿著一個方向運動。
2 – Flow Rectification in a Loopy Network（via）
基於此，鳥類才得以執行所有動物中最困難、且耗能最大的飛行活動。無論是翻山越嶺、還是飄揚過海，鳥肺都能保持深處的流通，並帶來源源不斷的新鮮空氣。
研究配圖 – 2：強流體網絡中的流量實驗系統
其實早在一個世紀前，科學家們就已經發現了鳥類呼吸系統的單向空氣流動。但對於這套生理機制的幕後謎團，一直缺少科學合理的空氣動力學解釋。
研究配圖 – 3：電路中 AC-DC 轉換的實驗特性
為此，研究人員們在紐約大學應用數學實驗室開展了一系列模擬鳥類呼吸的實驗。並打造了一套灌滿水的環狀管道，用以模擬空氣流動。然後將微粒混入水中，以追蹤水流的方向。
研究配圖 – 4：非對稱電路仿真
結果實驗發現，環狀「呼吸」產生的往復運動，被有效轉換成了繞著環路其中一個方向的單向流動。實驗室主任 Leif Ristroph 解釋稱，這就是在鳥肺內部發生的現實情況。
這種網絡環路有點像是道路中的岔口，流量可選擇在岔口處選用哪種路線策略。之後科學家們通過計算機仿真來重現了實驗結果，並給出了更加合理的解釋。
研究合著者、NJIT 助理教授 Anand Oza 表示：慣性往往導致水流一直朝前而不是拐彎，因為後者會被渦流所阻礙。由於節點在網絡中的連接方式，最終導致了環路循環的單向流動。
至於這項研究的應用前景，顯然包括了引導、控制和泵送流體等諸多方面 —— 從醫療保健、化學加工，到各種機械的燃料、潤滑劑、冷卻系統。
來源：cnBeta
