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2018
04-16

工程师设计“树上芯片”


树木和其他植物,从高耸的红杉到小雏菊,是大自然的液压泵。他们不断地把水从根部抽到最顶端的叶子上,把叶子产生的糖抽回到根部。这种持续不断的营养物流通过称为木质部(xylem)和韧皮部(phloem)的组织系统穿梭,木质的平行管道包装在一起。

现在,麻省理工学院的工程师和他们的合作者已经设计出了一种微流体设备,他们称之为“树上芯片”,它模仿树木和植物的泵送机制。像其天然的同行一样,芯片被动地运行,不需要移动部件或外部泵。它能够以稳定的流速将水和糖泵入芯片数天。结果发表在 Nature Plants

麻省理工学院机械工程系副教授兼副教授,负责人的Anette“Peko”Hosoi表示,该芯片的无源泵可作为小型机器人的简单液压执行器。工程师们发现,制造微型可移动部件和泵可以为小型机器人的复杂运动提供动力,这是很困难和昂贵的。该团队的新型泵送机制可能使机器人的运动由廉价的糖泵驱动。

工程师们设计了一种微流体设备,他们称之为“片上树”,它模仿树木和其他植物的泵送机制。信用:麻省理工学院

“这项工作的目标是便宜的复杂性,就像在自然界看到的,”Hosoi说。 “在树上添加另一片叶子或木质部通道是很容易的。在小型机器人领域,从制造到集成,再到驱动,一切都很艰难。如果我们能够制造出便宜复杂的构件,那将是非常令人兴奋的。我认为这些[微流体泵]是朝着这个方向迈出的一步。“

Hosoi的论文合着者是主要作者Jean Comtet,麻省理工学院机械工程系前研究生;丹麦技术大学的Kaare Jensen;和康奈尔大学的Robert Turgeon和Abraham Stroock。

液压升降机

该集团的树型工作源于泵送液压动力的液压机器人项目。 Hosoi对设计小型液压机器人很感兴趣,他们可以执行类似于波士顿动力公司的Big Dog这样的大型机器人的行动,这种机器人是一个四足的,圣伯纳德大小的机器人,通过液压执行机构驱动并跳越崎岖不平的地形。 “

”对于小型系统来说,制造微小的移动部件往往是昂贵的,“Hosoi说。 “所以我们想,'如果我们可以制造一个小型的液压系统,可以产生很大的压力,没有运动部件呢?'然后我们问'这是否有这样的性质?'事实证明,树木的确如此。 “

生物学家的一般理解是,由表面张力推动的水在树木的木质部通道上游,然后通过半透膜扩散到含有糖和其他营养素的韧皮部。

韧皮部的糖分越多,从木质部流向韧皮部的水就越多,以平衡糖分与水分之间的梯度,这种被动过程称为渗透。由此产生的水流冲刷营养素到根部。被认为树木和植物保持这个抽水过程,因为更多的水从他们的根部抽出。 “这个简单的木质部和韧皮部模型已经有数十年的历史了,”Hosoi说。 “从定性的角度来看,这是有道理的。但是当你实际运行数字时,你会意识到这个简单的模型不允许稳定的流动。“

事实上,工程师以前曾试图设计树状微流体泵,制造模拟木质部和韧皮部分。但是他们发现这些设计在几分钟之内迅速停止了泵送。

这是Hosoi的学生Comtet谁确定了一个树的抽水系统的第三个重要部分:它的叶子,通过光合作用产生糖。 Comtet的模型包括从叶片扩散到植物韧皮部的这种额外的糖源,增加了糖对水的梯度,从而保持恒定的渗透压,循环水和养分 不断地在一棵树上。

糖上运行

Hosoi和她的团队考虑到Comtet的假设,设计了他们的树上芯片,一种模仿树木木质部,韧皮部,最重要的是产糖叶的微流体泵。

为了制造这种芯片,研究人员将两个塑料载玻片夹在一起,通过这些塑料载玻片钻出小通道代表木质部和韧皮部。他们用水填充木质部通道,用水和糖填充韧皮部通道,然后用半透性材料分离两片载玻片,以模拟木质部和韧皮部之间的膜。他们在含有韧皮部通道的载玻片上放置另一个膜,并在顶部放置一个方糖代表额外的从树叶向韧皮部扩散的糖源。他们将芯片挂在一根管子上,管子将水箱中的水送入芯片。

通过这个简单的设置,芯片能够被动地将水通过芯片从水箱中抽出,并且以恒定的流量持续几天,而不是以前的设计只抽水几分钟。

Hosoi说:“只要我们把这个糖源放进去,我们就能稳定运行几天。 “这正是我们需要的。我们需要一个实际上可以放在机器人上的设备。“

Hosoi设想,片上树状结构的泵可以内置在一个小型机器人中,以产生液压动力运动,而不需要有源泵或部件。

“如果你用聪明的方式设计你的机器人,你绝对可以把一个方糖放在它上面,然后让它离开,”Hosoi说。

来源:麻省理工学院作者:珍妮弗·楚