Теперь инженеры в MIT и их сотрудники проектировали микрожидкое устройство, которое они называют «деревом на чипе», который подражает насосному механизму деревьев и растений. Как его естественные коллеги, чип работает пассивно, не требуя никаких подвижных частей или внешних насосов. Это в состоянии накачать воду и сахар через чип по уровню спокойного течения в течение нескольких дней. Результаты изданы на этой неделе по своей природе Заводы.
Анетт «Пеко» Хосой, преподаватель и объединенный начальник отдела для операций в Отделе MIT Машиностроения, говорит, что пассивная перекачка чипа может быть усилена как простой гидравлический привод головок для маленьких роботов. Инженеры сочли его трудным и дорогим, чтобы сделать крошечные, подвижные части и насосы, чтобы привести сложные движения в действие в маленьких роботах.
Новый насосный механизм команды может позволить роботы, движения которых продвигаются недорогими, приведенными в действие сахаром насосами.«Цель этой работы – дешевая сложность, как каждый видит по своей природе», говорит Хозои. «Легко добавить другой лист или канал ксилемы в дереве. В маленькой робототехнике все твердо, от производства, к интеграции, к приведению в действие.
Если мы могли бы сделать стандартные блоки, которые позволяют дешевую сложность, которая была бы супер возбуждением. Я думаю они [микрожидкие насосы] являются шагом в том направлении».Соавторы Хозои на бумаге – ведущий автор Джин Комтет, бывший аспирант в Отделе MIT Машиностроения; Каар Дженсен из Датского технического университета; и Роберт Турджен и Абрахам Струк, оба из Корнелльского университета.Гидравлический лифт
Вдохновленная деревом работа группы выросла из проекта на гидравлических роботах, приведенных в действие, качая жидкости. Hosoi интересовался проектированием гидравлических роботов в мелком масштабе, который мог выполнить действия, подобные намного более крупным роботам как Большая Собака Бостона Динэмика, четырехногому, роботу размера Сен-Бернара, который работает и перепрыгивает через грубый ландшафт, приведенный в действие гидравлическими приводами головок.«Для маленьких систем часто дорого произвести крошечные движущиеся части», говорит Хозои. «Таким образом, мы думали, ‘Что, если мы могли бы сделать небольшую гидравлическую систему, которая могла бы произвести большие давления без подвижных частей?’ И затем мы спросили, ‘Что-нибудь делает это по своей природе?’ Оказывается, что деревья делают».
Общее понимание среди биологов было то, что вода, продвигаемая поверхностным натяжением, едет каналы дерева ксилемы, затем распространяется через полуводопроницаемую мембрану и вниз в каналы флоэмы, которые содержат сахар и другие питательные вещества.Чем более сахарный есть во флоэме, тем больше потоков воды от ксилемы до флоэмы, чтобы балансировать градиент сахара к воде, в пассивном процессе, известном как осмос. Получающийся поток воды смывает питательные вещества вниз к корням. Деревья и растения, как думают, поддерживают этот насосный процесс, поскольку больше воды составлено от их корней.
«Эта простая модель ксилемы и флоэмы была известна в течение многих десятилетий», говорит Хозои. «С качественной точки зрения это имеет смысл. Но когда Вы на самом деле управляете числами, Вы понимаете, что эта простая модель не допускает спокойное течение».На самом деле инженеры ранее попытались проектировать вдохновленные деревом микрожидкие насосы, изготовив части, которые подражают ксилеме и флоэме.
Но они нашли, что эти проекты быстро прекратили качать в течение минут.Именно студент Хозои Комтет определил третью основную часть к системе накачки дерева: его листья, которые производят сахар посредством фотосинтеза. Модель Комтета включает этот дополнительный источник сахара, который распространяется от листьев во флоэму завода, увеличивая градиент сахара к воде, который в свою очередь поддерживает постоянное осмотическое давление, обращающуюся воду и питательные вещества непрерывно всюду по дереву.Работа сахара
С гипотезой Комтета в памяти, Hosoi и ее команда проектировали их дерево на чипе, микрожидком насосе, который подражает ксилеме дерева, флоэме, и самое главное, ее производящие сахар листья.Чтобы сделать чип, исследователи прослоили вместе два пластмассовых слайда, посредством которых они сверлили маленькие каналы, чтобы представлять ксилему и флоэму. Они заполнили канал ксилемы водой и канал флоэмы с водой и сахаром, затем отделили два слайда полуводопроницаемым материалом, чтобы подражать мембране между ксилемой и флоэмой. Они поместили другую мембрану по понижению, содержащему канал флоэмы, и установили кусок сахара на вершине представлять дополнительный источник сахара, распространяющегося от листьев дерева во флоэму.
Они зацепили чип до трубы, которая накормила воду от бака на чип.С этой простой установкой чип смог пассивно накачать воду с бака на чип и в мензурку, в постоянной скорости потока жидкости в течение нескольких дней, в противоположность предыдущим проектам, которые только накачали в течение нескольких минут.
«Как только мы вставляем этот сахарный источник, у нас был он бегущий в течение многих дней в устойчивом состоянии», говорит Хозои. «Это точно, в чем мы нуждаемся. Мы хотим устройство, мы можем на самом деле вставить робот».
Hosoi предполагает это, дерево на насосе чипа может быть встроено в маленький робот, чтобы произвести гидравлически приведенные в действие движения, не требуя активных насосов или частей.«Если Вы проектируете свой робот умным способом, Вы могли бы абсолютно прикрепить кусок сахара на него и позволить ему пойти», говорит Хозои.
Это исследование было поддержано, частично, Передовым Агентством по Научно-исследовательским работам Защиты.