Мікрорідинний пристрій генеруючий пасивну гідравлічну потужність

Инженеры проектируют «дерево-на-чипе»: микрожидкостное устройство генерирувавшее пассивную гидравлическую мощность

Дерева та інші рослини, від високих дерев до мініатюрних маргариток, є природними гідравлічними насосами.

Вони постійно підтягують воду від коренів до самих верхніх листків, а цукор, що виробляються їх листям, відводять до коріння. Цей постійний потік поживних речовин переміщається через систему тканин, так званих Ксилема і флоема, які утворюють деревні паралельні канали.

Тепер інженери MIT і їх співробітники розробили мікрорідинний пристрій, який вони називають «дерево на кристалі», який імітує механізм накачування дерев і рослин. Подібно своїм природним аналогам, чіп працює пасивно, не вимагаючи рухомих частин або зовнішніх насосів. Він здатний перекачувати воду і цукор через чіп з постійною швидкістю потоку протягом декількох днів. Результати опубліковані на цьому тижні в Nature Plants.

Анетт «Пеко» Хосой, професор і завідувач відділом відділу по роботі в механічному машинобудуванні Массачусетського технологічного інституту, говорить, що пасивне накачування чіпа може використовуватися як простий гідравлічний привід для невеликих роботів. Інженерам було складно і дорого робити крихітні, рухливі деталі і насоси для енергетичних складних рухів в маленьких роботах. Новий механізм перекачування команди може дозволити роботам, чиї руху приводяться в рух недорогими насосами, забезпечуватися цукром.

«Мета цієї роботи – дешева складність, як це працює в природі», – каже Хосой. «Легко додати ще один лист або канал в дереві.» У маленькій робототехніці все дуже складно – від виробництва до інтеграції, приведення в дію. Якби ми могли зробити будівельні блоки, які дозволяли б здешевити, це було б супер захоплююче. Що ці [мікрорідкісні насоси] – це крок в цьому напрямку ».

Співавторами Хосоі на папері є провідний автор Жан Конте, колишній аспірант факультету машинобудування Массачусетського технологічного інституту, Кааре Йенсен з Технічного університету Данії і Роберт Турджон і Абрахам Строк, обидва з Корнельського університету.

Гідравлічний підйомник

Деревоподібна робота групи виникла з проекту, присвяченого гідравлічним роботам, які працюють від насосних рідин. Хосоі був зацікавлений в розробці гідравлічних роботів в невеликих масштабах, які могли б виконувати дії, схожі на набагато більші роботи, такі як Big Dog , чотириногий робот розміром з Сен-Бернара, який бігає і стрибає по пересіченій місцевості за допомогою гідравлічних приводів.

«Для невеликих систем часто дорого виробляти крихітні рухомі частини, – каже Хосой. «Отже, ми подумали:« Що, якщо ми могли б створити невелику гідравлічну систему, яка могла б створювати великі навантаження без рухомих частин? »І потім ми запитали:« Чи відбувається щось подібне в природі?» Виявляється, дерева це роблять.

Загальне розуміння серед біологів полягало в тому, що вода, рухома поверхневим натягом, переміщається по каналах дерева ксилемами, потім дифундує через напівпроникну мембрану і вниз по каналах флоеми, які містять цукор та інші поживні речовини.

Чим більше цукру в флоемі, тим більше води тече від ксилеми до флоеме, щоб врівноважити градієнт від цукру до води, в пасивному процесі, відомому як осмос. В результаті потік води скидає поживні речовини аж до коренів. Вважається, що дерева і рослини підтримують цей процес перекачування, так як більше води витягується з коренів.

«Ця проста модель ксилеми і флоеми добре відома десятиліттями», – каже Хосой. «З якісної точки зору це має сенс, але  ви розумієте, що ця проста модель не дозволяє забезпечити постійний потік».

Фактично, інженери раніше намагалися спроектувати деревовидні мікрорідинні насоси, виготовляючи деталі, які імітують ксилеми і флоеми. Але вони виявили, що ці конструкції швидко припинили накачування протягом декількох хвилин.

Шкільний учень Хосо визначив третю істотну роль в системі накачування дерева: його листя, які виробляють цукру через фотосинтез. Модель компетенції включає в себе це додаткове джерело цукру, яке дифундує з листя в флоему рослини, збільшуючи градієнт від цукру до води, який, в свою чергу, підтримує постійний осмотичний тиск, безперервно циркулює вода і поживні речовини по всьому дереву.

Працює на цукрі

З урахуванням гіпотези Контета, Хосоі і її команда розробили своє дерево на кристалі – мікрожідкостний насос, який імітує ксилеми, флоеми і, що найбільш важливо, їх листя,  виробляють цукор.

Щоб зробити чіп, дослідники заклали разом два пластикових слайда, через які вони просвердлили невеликі канали, щоб представити ксилеми і флоеми. Вони заповнили канал ксилеми водою, а канал флоеми водою і цукром, потім розділили ці два слайди напівпроникну матеріалом, щоб імітувати мембрану між ксилемою і флоемою. Вони поклали ще одну мембрану на предметне скло, що містить канал флоеми, і встановили цукровий куб зверху, щоб представити додаткове джерело цукру, дифундує з листя дерева в флоему. Вони підключили чіп до труби, яка подавала воду з резервуара в чіп.

За допомогою цієї простої установки чіп зміг пасивно прокачувати воду з бака через чіп і виходити в стакан з постійною витратою протягом декількох днів, на відміну від попередніх конструкцій, які накачувалися тільки протягом декількох хвилин.

«Як тільки ми помістили це джерело цукру, у нас він працював протягом декількох днів в стійкому стані», – каже Хосой. «Це саме те, що нам потрібно. Ми хочемо, щоб пристрій, який ми можемо поставити в робота ».

Хосой передбачає, що насос з деревовидним малюнком може бути вбудований в невеликий робот для виробництва приводів з гідравлічним приводом без використання активних насосів або деталей.

«Якщо ви спроектуєте свого робота по-розумному, ви можете накласти на нього цукровий куб і відпустити його», – говорить Хосой.