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工程师设计了一种微流体装置，用于模仿树木和植物的泵送机构，产生可用于制造小型机器人移动的被动液压动力。
树木和其他植物，从高耸的红木到小雏菊，都是大自然的液压泵。他们不断从根源那里拉到最顶层的叶子，并将叶子产生的糖泵回到根部。这种恒定的营养素流通过称为木质和韧皮的组织系统，该系统在木质，平行导管中填充在一起。
现在，麻省理工学院的工程师和他们的合作者设计了一种微流体装置，他们称之为“芯片”，模仿树木和植物的泵送机制。与其自然对应物一样，芯片被动地操作，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泵送几天。结果本周在自然植物中发表。
Anette“Peko”Hosoi，MIT机械工程系的行动教授和副部长表示，该芯片的被动泵送可以作为小型机器人的简单液压执行器利用。工程师发现困难且昂贵的是制造微小，可移动的部件和泵，以便在小型机器人中为电力复杂的移动。该团队的新型泵送机构可以使机器人能够由廉价，糖动力泵推动其动作。
“这项工作的目标是便宜的复杂性，就像一个本质上看到的，”Hosoi说。“在树中添加另一个叶子或木耳通道很容易。在小型机器人中，一切都很努力，从制造业，融合致力。如果我们可以制作能够廉价复杂性的积木，那将是超级令人兴奋的。我认为这些[微流体泵]是沿这种方向的一步。“
Hosoi的共同作者在本文中是主要的作者Jean Comtet，这是MIT机械工程系的前研究生;丹麦技术大学的Kaare Jensen;和罗伯特Turgeon和亚伯尔斯特拉姆斯特拉克，都是康奈尔大学。
与其自然对应物一样，芯片被动地操作，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泵送几天。
液压升降机
该集团的树木启发工作从泵送流体供电的液压机器人中脱离了一个项目。Hosoi有兴趣以小规模设计液压机器人，可以执行类似于波士顿动态大狗的更大的机器人，这是一种四足球，一群圣徒伯纳德机器人，由粗糙的地形提供和跳跃，由液压执行器提供动力。
“对于小型系统来说，制造微小的移动件通常往往是昂贵的，”Hosoi说。“所以我们想，'如果我们可以制作一个可以产生大压力的小型液压系统，那么什么呢？'然后我们问道，'任何事都在自然中做到这一点吗？“事实证明，树木了。“
生物学家之间的一般性理解一直是通过表面张力推进的水行走了树的Xylem的频道，然后通过半透膜扩散到含有糖和其他营养素的韧带通道。
在韧皮中有糖越多，Xylem到韧皮中的水流量越多，以在称为渗透的被动过程中平衡糖到水梯度。所得到的水流量将营养物质冲到根部。随着树木和植物认为，随着更多的水从根源中汲取更多的水，可以保持这种泵送过程。
“这种简单的木门和韧皮模型几十年来都是众所周知的，”Hosoi说。“从定性的角度来看，这是有道理的。但是当您实际运行数字时，您就会实现这个简单的模型不允许稳定流动。“
事实上，工程师以前已经尝试设计树木启发的微流体泵，制造模仿木耳和韧皮的部件。但他们发现这些设计在分钟内很快停止泵送。
它是Hosoi的学生Comitet，他将第三部分确定为树的泵送系统：它的叶子，通过光合作用产生糖。ComTet的模型包括这种糖的额外糖来源，这些糖源从叶子中扩散到植物的韧皮植物中，增加糖到水梯度，这反过来又保持恒定的渗透压，循环水和营养素在整个树上连续保持恒定的渗透压，循环水和营养素。
跑上糖
随着Comtet的假设，Hosoi和她的团队设计了他们的树皮，一种微流体泵，模仿树的木质，韧皮植物，最重要的是，它的糖生产的叶子。
为了使芯片，研究人员将两个塑料幻灯片夹在一起，他们通过该幻灯片，他们钻了小渠道来代表木质和韧皮。它们用水填充木质通道，用水和糖的韧皮沟道，然后将两个载玻片与半透材料分开以模仿木质和韧皮之间的膜。它们将另一种膜放在含有韧皮沟道的载玻片上，并将糖立方体设置在顶部，以表示从树叶的叶片扩散到韧皮中的额外糖来源。它们将芯片挂在芯片上，将水从罐中送入芯片。
通过这种简单的设置，芯片能够以芯片将水从罐子被动地泵送到烧杯中，以恒定的流速持续数天，而不是仅泵送几分钟的设计。
“一旦我们把这种糖源放入，我们就会以稳定状态运行，”Hosoi说。“这正是我们所需要的。我们想要一个我们实际放入机器人的设备。“
Hosoi设想，芯片泵可以内置成小型机器人以产生液压动力运动，而不需要主动泵或部件。
“如果你以聪明的方式设计你的机器人，你可能绝对可以坚持糖立方体并让它走吧，”Hosoi说。
该研究部分受到辩护提前研究项目机构的支持。
出版物：让Jean Comtet等，“在合成树上芯片中的被动伪装装载和远程运输”，自然植物3，物品编号：17032（2017）DOI：10.1038 / lepplants.2017.32
