美國麻省理工學院（MIT）和其合作伙伴設計出一款能夠模擬樹木和其他植物泵浦機制的微流體器件，并取名為“芯片上大樹”。與自然情況下相類似，該芯片被動工作，不需要移動的部件或外部泵，能夠以穩(wěn)定的速率持續(xù)數(shù)年的通過芯片來抽取水和糖。研究結果發(fā)布在這周的《自然植物》上。
論文的作者包括MIT機械工程學院的教授和學院執(zhí)行副主任Anette "Peko" Hosoi和其學生Jean Comtet、丹麥技術大學的Kaare Jensen，以及康奈爾大學的Robert Turgeon和Abraham Stroock。
該研究團隊受樹激發(fā)的工作來源于一個由泵輸送液體功能的液壓機器人。Hosoi重點研究設計小尺寸液壓機器人，所能實現(xiàn)的動作要與大得多的機器人相同，如波士頓動力公司的“大狗”。該機器人是一個四條腿、圣伯納德狗尺寸的機器人，能夠在地形條件惡劣的地區(qū)跑和跳，該機器人正由液壓執(zhí)行器供能，如下圖所示。
圖為著名的波士頓動力公司的“大狗”機器人
Hosoi表示，“對于小系統(tǒng)，要知道小的移動部件通常很昂貴。所以我們想，我們制造一個沒有移動部件卻能產生大壓力的小型液壓系統(tǒng)。然后我們問，自然界有沒有能這樣的，結果是樹能夠做”。
樹木和其他植物，從高聳的塔狀紅杉到小雛菊，均使用自然的液壓泵。他們持續(xù)從其根部泵出水來灌溉最頂端的樹葉，同時將其葉子產生的糖分輸送回根部。持續(xù)的營養(yǎng)流通過一個包含木質部和韌皮部的組織系統(tǒng)來往返傳遞，這些組織堆疊在木質、并行的管道中。
生物學家的通常認識是水由表面張力來推動，穿過樹的木質部通道，通過一個半透膜耗散后，進入包含糖分和其他營養(yǎng)成分的韌皮部。韌皮部所包含的糖分越多，從木質部就會有更多的水以被動的方式流入到韌皮部來平衡水-糖比例，該過程叫做滲透。樹和植物被動地保持這種泵浦機制，更多的水從底部抽取上來。
Hosoi表示：“木質部和韌皮部的簡單模型為大眾所知已有數(shù)十年的時間。從定性的角度看，這有意義。但是當真正跑起來時，發(fā)現(xiàn)該簡單模型并不能提供穩(wěn)定的流動?！笔聦嵣?，工程師在此前嘗試過設計由樹激發(fā)的微流體泵，制造能夠模擬木質部和韌皮部的部件，但是他們發(fā)現(xiàn)這些設計在幾分鐘內很快就停止了泵浦。
Comtet發(fā)現(xiàn)了對于樹泵浦結構的第三個重要部分——可通過光和作用產生糖分的樹葉。Comtet的模型包含了這個附加糖源，糖分可以從樹葉擴散至植物的韌皮部，增加水-糖比例，這反過來保持了持續(xù)的滲透性壓力，持續(xù)在樹內循環(huán)水平和營養(yǎng)物質。
Hosoi和其團隊設計出了“芯片上大樹”，一個能夠模擬大樹木質部和韌皮部、及最重要的能產生糖的葉子的微流體泵。
要實現(xiàn)這個泵，研究人員將兩塊塑料以三明治方式排列，在其上他們鉆有小通道來代表木質部和韌皮部。他們在木質部通道里填充了水，在韌皮部通道填充了水和糖，然后用一個半透材料將兩片進行隔離來模擬木質部和韌皮部之間的薄膜。他們將另外一個薄膜覆蓋在含有韌皮部通道的塑料片上，并將一個方糖放在頂部來代表可從樹葉上擴散至韌皮部的附加糖源。他們將芯片固定在一個管子上，該管子從一個水槽中抽取水分供給芯片。結構如下圖所示。
圖為芯片上大樹的結構
在這個簡單的裝置中，芯片能夠被動的通過芯片從水槽中抽取水并流到燒杯中，并以穩(wěn)定的流速持續(xù)數(shù)天。Hosoi表示“只要我們將該糖源放上，我們能夠使其以穩(wěn)定的速度工作幾天。這就是我們想要的，我們希望實現(xiàn)一個能真正放到機器人中的器件?！?/span>
Hosoi表示，該芯片被動泵可用于作為小機器人的簡單液壓驅動器。工程師發(fā)現(xiàn)其很難、成本很高來制造小型、可移動器件和泵來為小型機器人中的復雜移動來功能。該團隊的新泵浦機制可以支持機器人，通過價格低廉、糖驅動的泵來推進動作。
Hosoi說：“這個工作的目標是廉價復雜性。從制造來看，要集成和驅動小機器人，每一件事情都是困難的。如果我們能夠制造出一個支持廉價復雜性的組成模塊，將是超級令人激動。我認為這些（微流體泵）是朝這個方向邁出的一步”。
Hosoi的愿景是芯片上大樹泵浦能夠用在小機器人中來制造液壓驅動，不需要有源泵或其他器件?！叭绻阋灾悄芑绞皆O計你的機器人，你一定還會將方糖放在上面，并讓他開始走?！?/span>
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