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

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

Деревья и другие растения, от высоких лесов до миниатюрных маргариток, являются природными гидравлическими насосами.

Они постоянно подтягивают воду от корней до самых верхних листьев, а сахара, вырабатываемые их листьями, отводят к корням. Этот постоянный поток питательных веществ перемещается через систему тканей, называемых ксилемом и флоэмой, которые упаковываются вместе в древесные параллельные каналы.

Теперь инженеры MIT и их сотрудники разработали микрожидкостное устройство, которое они называют «дерево на кристалле», которое имитирует механизм накачки деревьев и растений. Подобно своим естественным аналогам, чип работает пассивно, не требуя движущихся частей или внешних насосов. Он способен перекачивать воду и сахар через чип с постоянной скоростью потока в течение нескольких дней. Результаты опубликованы на этой неделе в Nature Plants.

Анетт «Пеко» Хосой, профессор и заведующий отделом отдела по работе в механическом машиностроении Массачусетского технологического института, говорит, что пассивная накачка чипа может использоваться как простой гидравлический привод для небольших роботов. Инженерам было сложно и дорого делать крошечные, подвижные детали и насосы для энергетических сложных движений в маленьких роботах . Новый механизм перекачки команды может позволить роботам, чьи движения приводятся в движение недорогими насосами, снабженными сахаром .

«Цель этой работы — дешевая сложность, как это видят в природе», — говорит Хосой. «Легко добавить еще один лист или канал xylem в дереве.» В маленькой робототехнике все очень сложно — от производства до интеграции, приведения в действие. Если бы мы могли сделать строительные блоки, которые позволяли бы дешевую сложность, это было бы супер захватывающе. Что эти [микрожидкостные насосы] — это шаг в этом направлении ».

Соавторами Hosoi на бумаге являются ведущий автор Жан Конте, бывший аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института; Кааре Йенсен из Технического университета Дании; И Роберт Турджон и Абрахам Строк, оба из Корнелльского университета.

Гидравлический подъемник

Древовидная работа группы возникла из проекта, посвященного гидравлическим роботам, работающим от насосных жидкостей. Hosoi был заинтересован в разработке гидравлических роботов в небольших масштабах, которые могли бы выполнять действия, похожие на гораздо более крупные роботы, такие как Big Dog из Big Bost, четырехногий робот размером с Сен-Бернара, который бегает и прыгает по пересеченной местности с помощью гидравлических приводов.

«Для небольших систем зачастую дорого производить крошечные движущиеся части, — говорит Хосой. «Итак, мы подумали:« Что, если мы могли бы создать небольшую гидравлическую систему, которая могла бы создавать большие нагрузки без движущихся частей? » И затем мы спросили: «Делает ли что-нибудь подобное в природе?» Оказывается, деревья делают.

Общее понимание среди биологов состояло в том, что вода, движимая поверхностным натяжением, перемещается по каналам дерева ксилемы, затем диффундирует через полупроницаемую мембрану и вниз по каналам флоэмы, которые содержат сахар и другие питательные вещества.

Чем больше сахара в флоэме, тем больше воды течет от ксилемы к флоэме, чтобы уравновесить градиент от сахара к воде, в пассивном процессе, известном как осмос. В результате поток воды сбрасывает питательные вещества вплоть до корней. Считается, что деревья и растения поддерживают этот процесс перекачивания, так как больше воды вытягивается из корней.

«Эта простая модель ксилемы и флоэмы хорошо известна десятилетиями», — говорит Хосой. «С качественной точки зрения это имеет смысл, но когда вы на самом деле запускаете цифры, вы понимаете, что эта простая модель не позволяет обеспечить постоянный поток».

Фактически, инженеры ранее пытались спроектировать древовидные микрожидкостные насосы, изготавливая детали, которые имитируют ксилемы и флоэмы. Но они обнаружили, что эти конструкции быстро прекратили накачку в течение нескольких минут.

Школьный ученик Хосоя определил третью существенную роль в системе накачки дерева: его листья, которые производят сахара через фотосинтез. Модель Компета включает в себя этот дополнительный источник сахара, который диффундирует из листьев в флоэму растения, увеличивая градиент от сахара к воде, который, в свою очередь, поддерживает постоянное осмотическое давление, непрерывно циркулирует вода и питательные вещества по всему дереву.

Работает на сахаре

С учетом гипотезы Контета, Хосои и ее команда разработали свое дерево на кристалле — микрожидкостный насос, который имитирует ксилемы, флоэмы и, что наиболее важно, их листья, вырабатывающие сахар.

Чтобы сделать чип, исследователи заложили вместе два пластиковых слайда, через которые они просверлили небольшие каналы, чтобы представить ксилемы и флоэмы. Они заполнили канал ксилемы водой, а канал флоэмы водой и сахаром, затем разделили эти два слайда полупроницаемым материалом, чтобы имитировать мембрану между ксилемой и флоэмой. Они положили еще одну мембрану на предметное стекло, содержащее канал флоэмы, и установили сахарный куб сверху, чтобы представить дополнительный источник сахара, диффундирующий из листьев дерева в флоэму. Они подключили чип к трубе, которая подавала воду из резервуара в чип.

С помощью этой простой установки чип смог пассивно прокачивать воду из бака через чип и выходить в стакан с постоянным расходом в течение нескольких дней, в отличие от предыдущих конструкций, которые накачивались только в течение нескольких минут.

«Как только мы поместили этот источник сахара, у нас он работал в течение нескольких дней в устойчивом состоянии», — говорит Хосой. «Это именно то, что нам нужно. Мы хотим, чтобы устройство, которое мы можем поставить в робота».

Hosoi предполагает, что насос с древовидным рисунком может быть встроен в небольшой робот для производства приводов с гидравлическим приводом без использования активных насосов или деталей.

«Если вы спроектируете своего робота по-умному, вы можете наложить на него сахарный куб и отпустить его», — говорит Хосой.