«Дерево на чипе» пассивно качает воду в течение нескольких дней: микрожидкостное устройство генерирует пассивную гидравлическую энергию, может использоваться для движения небольших роботов.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института и их сотрудники разработали микрожидкостное устройство, которое они назвали «деревом на кристалле», которое имитирует насосный механизм деревьев и растений. Как и его естественные аналоги, микросхема работает пассивно, не требуя движущихся частей или внешних насосов. Он способен перекачивать воду и сахар через чип с постоянной скоростью в течение нескольких дней.

Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Nature Plants.Анетт «Пеко» Хосой, профессор и младший начальник отдела операций в Департаменте машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что пассивная накачка чипа может быть использована в качестве простого гидравлического привода для небольших роботов.

Инженеры обнаружили, что изготовление крошечных подвижных частей и насосов для сложных движений небольших роботов является трудным и дорогостоящим. Новый насосный механизм команды может позволить роботам, движение которых приводится в движение недорогими насосами, работающими на сахаре.«Цель этой работы — дешевая сложность, как в природе», — говорит Хосой. «Легко добавить еще один лист или канал ксилемы в дерево. В небольшой робототехнике все сложно, от производства до интеграции и приведения в действие.

Если бы мы могли сделать строительные блоки, которые обеспечивают дешевую сложность, это было бы супер захватывающе. Я думаю, что эти [микрофлюидные насосы] — шаг в этом направлении ".Соавторы Хосои — ведущий автор Жан Контет, бывший аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института; Кааре Йенсен из Технического университета Дании; Роберт Терджен и Абрахам Строок из Корнельского университета.Гидравлический подъемник

Работа группы, вдохновленная деревьями, выросла из проекта гидравлических роботов, приводимых в действие перекачивающими жидкостями. Хосой был заинтересован в разработке небольших гидравлических роботов, которые могли бы выполнять действия, аналогичные гораздо более крупным роботам, таким как Big Dog от Boston Dynamic, четвероногий робот размером с сенбернара, который бегает и прыгает по пересеченной местности с помощью гидравлических приводов.

«Для небольших систем производство крошечных движущихся частей зачастую является дорогостоящим», — говорит Хосой. «Поэтому мы подумали:« А что, если бы мы могли создать небольшую гидравлическую систему, которая могла бы создавать большое давление без движущихся частей? » А потом мы спросили: «Есть ли в природе что-нибудь такое?» Оказывается, деревья умеют. "Среди биологов было общее понимание того, что вода, движимая поверхностным натяжением, поднимается по каналам ксилемы дерева, затем диффундирует через полупроницаемую мембрану и вниз в каналы флоэмы, содержащие сахар и другие питательные вещества.Чем больше сахара во флоэме, тем больше воды течет из ксилемы во флоэму, чтобы уравновесить градиент сахара и воды в пассивном процессе, известном как осмос. Возникающий в результате поток воды смывает питательные вещества к корням.

Считается, что деревья и растения поддерживают этот процесс откачки, поскольку все больше воды забирается из их корней.«Эта простая модель ксилемы и флоэмы была хорошо известна на протяжении десятилетий», — говорит Хосой. «С качественной точки зрения, это имеет смысл. Но когда вы действительно рассчитываете цифры, вы понимаете, что эта простая модель не допускает постоянного потока».Фактически, инженеры ранее пытались спроектировать микрофлюидные насосы, вдохновленные деревьями, изготавливать детали, имитирующие ксилему и флоэму.

Но они обнаружили, что эти конструкции быстро перестали работать в течение нескольких минут.Контет, ученик Хосои, определил третью важную часть насосной системы дерева: его листья, которые производят сахар посредством фотосинтеза. Модель Контета включает в себя этот дополнительный источник сахаров, которые диффундируют из листьев во флоэму растения, увеличивая градиент сахара к воде, который, в свою очередь, поддерживает постоянное осмотическое давление, непрерывно циркулируя воду и питательные вещества по всему дереву.

Бег на сахарПринимая во внимание гипотезу Контета, Хосой и ее команда разработали свое дерево на чипе, микрофлюидный насос, который имитирует ксилему, флоэму дерева и, что наиболее важно, его листья, производящие сахар.

Чтобы сделать чип, исследователи соединили два пластиковых предметных стекла, через которые просверлили небольшие каналы, представляющие ксилему и флоэму. Они заполнили канал ксилемы водой и канал флоэмы водой и сахаром, а затем разделили два предметных стекла полупроницаемым материалом, имитирующим мембрану между ксилемой и флоэмой.

Они поместили другую мембрану поверх предметного стекла, содержащего канал флоэмы, и поставили сверху сахарный кубик, чтобы представить дополнительный источник сахара, диффундирующего из листьев дерева во флоэму. Они прикрепили чип к трубке, по которой вода из бака подавалась в чип.

Благодаря этой простой настройке чип мог пассивно перекачивать воду из резервуара через чип в стакан с постоянной скоростью потока в течение нескольких дней, в отличие от предыдущих конструкций, которые перекачивали воду только в течение нескольких минут.«Как только мы добавили этот источник сахара, он несколько дней работал в стабильном состоянии», — говорит Хосой. «Это именно то, что нам нужно.

Нам нужно устройство, которое мы действительно можем вставить в робота».Хосой предполагает, что насос типа «дерево на чипе» может быть встроен в небольшой робот для создания движений с гидравлическим приводом без использования активных насосов или деталей.«Если вы спроектируете своего робота с умом, вы можете просто приклеить к нему кусочек сахара и отпустить», — говорит Хосой.

Это исследование было частично поддержано Агентством оборонных исследовательских проектов.


Портал обо всем