Деревья и другие растения, от возвышающихся секвой до крошечных маргариток, являются гидравлическими насосами природы. Они постоянно тянут воду от своих корней к самым верхним листьям и перекачивают сахар, вырабатываемый их листьями, обратно к корням. Этот постоянный поток питательных веществ проходит через систему тканей, называемых ксилемой и флоэмой, которые упакованы в древесные параллельные каналы.
Анетт «Пеко» Хосой, профессор и заместитель заведующего операционным отделом факультета машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что пассивная накачка чипа может быть использована в качестве простого гидравлического привода для небольших роботов. Инженеры обнаружили, что создавать крошечные подвижные детали и насосы для приведения в действие сложных движений небольших роботов сложно и дорого. Новый насосный механизм команды может позволить роботам двигаться с помощью недорогих насосов, работающих на сахаре.
«Целью этой работы является дешевая сложность, которую можно увидеть в природе», - говорит Хосой. «Добавить еще один лист или канал ксилемы в дерево легко. В малой робототехнике все сложно, от производства до интеграции и приведения в действие. Если бы мы могли создавать строительные блоки, которые обеспечивают дешевую сложность, это было бы очень интересно». думаю, что эти [микрожидкостные насосы] - шаг в этом направлении».
Соавторами Хосой по статье являются ведущий автор Жан Комте, бывший аспирант кафедры машиностроения Массачусетского технологического института; Кааре Йенсен из Датского технического университета; и Роберт Терджен и Авраам Струк, оба из Корнельского университета.
Гидравлический подъемник
Работа группы, вдохновленная деревьями, выросла из проекта гидравлических роботов, приводимых в действие перекачиванием жидкостей. Хосой был заинтересован в разработке гидравлических роботов небольшого масштаба, которые могли бы выполнять действия, аналогичные гораздо более крупным роботам, таким как Big Dog от Boston Dynamics, четвероногий робот размером с сенбернара, который бегает и прыгает по пересеченной местности с помощью гидравлических приводов.
«Для небольших систем зачастую дорого производить крошечные движущиеся части, - говорит Хосой. «Поэтому мы подумали: «Что, если бы мы могли создать небольшую гидравлическую систему, которая могла бы создавать большое давление без движущихся частей?» А потом мы спросили: «Есть ли что-нибудь подобное в природе?» Оказывается, это делают деревья."
Биологи считают, что вода, движимая поверхностным натяжением, движется вверх по каналам ксилемы дерева, затем диффундирует через полупроницаемую мембрану и спускается в каналы флоэмы, содержащие сахар и другие питательные вещества.
Чем больше сахара во флоэме, тем больше воды течет из ксилемы во флоэму, чтобы сбалансировать градиент сахара-воды в пассивном процессе, известном как осмос. Образовавшийся поток воды смывает питательные вещества к корням. Считается, что деревья и растения поддерживают этот насосный процесс, поскольку из их корней вытягивается больше воды.
«Эта простая модель ксилемы и флоэмы известна уже несколько десятилетий, - говорит Хосой. «С качественной точки зрения это имеет смысл. Но когда вы на самом деле просчитываете цифры, вы понимаете, что эта простая модель не допускает устойчивого потока».
На самом деле, инженеры ранее пытались разработать микрожидкостные насосы, вдохновленные деревьями, изготавливая детали, имитирующие ксилему и флоэму. Но они обнаружили, что эти конструкции быстро перестали качать в течение нескольких минут.
Комтет, студент Хосоя, определил третью важную часть насосной системы дерева: его листья, которые производят сахар посредством фотосинтеза. Модель Конте включает этот дополнительный источник сахаров, которые диффундируют из листьев во флоэму растения, увеличивая градиент сахар-вода, который, в свою очередь, поддерживает постоянное осмотическое давление, непрерывно циркулируя вода и питательные вещества по всему дереву.
На сахаре
Помня о гипотезе Комте, Хосой и ее команда разработали свое дерево-на-чипе, микрофлюидный насос, который имитирует ксилему дерева, флоэму и, что наиболее важно, его листья, производящие сахар.
Чтобы сделать чип, исследователи соединили два пластиковых предметных стекла, через которые они просверлили небольшие каналы, представляющие ксилему и флоэму. Они заполнили канал ксилемы водой, а канал флоэмы водой и сахаром, затем разделили два предметных стекла полупроницаемым материалом, чтобы имитировать мембрану между ксилемой и флоэмой. Они поместили другую мембрану на предметное стекло, содержащее канал флоэмы, и положили сверху кубик сахара, чтобы представить дополнительный источник сахара, диффундирующего из листьев дерева во флоэму. Они подключили чип к трубке, по которой в чип подавалась вода из бака.
С помощью этой простой настройки чип смог пассивно перекачивать воду из резервуара через чип и в химический стакан с постоянным расходом в течение нескольких дней, в отличие от предыдущих конструкций, которые перекачивали всего несколько минут..
«Как только мы установили этот источник сахара, он работал в стабильном режиме в течение нескольких дней», - говорит Хосой. «Это именно то, что нам нужно. Нам нужно устройство, которое мы сможем поместить в робота».
Хосой предполагает, что насос «дерево-на-чипе» может быть встроен в небольшой робот для выполнения движений с гидравлическим приводом без использования активных насосов или деталей.
«Если вы спроектируете своего робота с умом, вы можете прилепить к нему кусочек сахара и отпустить», - говорит Хосой.