微流體裝置產生被動液壓動力用于使小型機器人移動

樹木和其他植物，從高聳的紅木到小型雛菊，都是大自然的液壓泵。他們不斷地將水從根部拉到最頂端的葉子上，并將葉子產生的糖分回到根部。這種恒定的營養物質通過稱為木質部和韌皮部的組織系統穿梭，這些組織在木質的平行管道中堆積在一起。

現在，麻省理工學院的工程師及其合作者設計了一種微流體裝置，他們稱之為“樹上樹”，模仿樹木和植物的泵送機制。與其天然對應物一樣，芯片被動操作，無需移動部件或外部泵。它能夠以穩定的流速將水和糖通過芯片泵送數天。結果發表在本周的自然植物中。

麻省理工學院機械工程系教授兼副主任Anette“Peko”Hosoi表示，該芯片的被動泵送可用作小型機器人的簡單液壓執行器。工程師發現制造微小的可移動部件非常困難且昂貴用于為小型機器人中的復雜運動提供動力。該團隊的新型泵送機構可以使機器人的運動由廉價的糖動力泵推動。

“這項工作的目標是廉價的復雜性，就像人們看到的那樣，”Hosoi說。“在樹中添加另一片葉子或木質部通道很容易。在小型機器人技術中，從制造，集成到驅動，一切都很艱難。如果我們能夠制造出能夠實現廉價復雜性的構建模塊，那將是非常令人興奮的。我認為這些[微流體泵]是朝這個方向邁出的一步。“

Hosoi在論文中的合著者是主要作者Jean Comtet，他是麻省理工學院機械工程系的前研究生; 丹麥技術大學的Kaare Jensen; 康奈爾大學的Robert Turgeon和Abraham Stroock。

液壓升降機

該組織的樹木啟發工作源于一個由泵送液體驅動的液壓機器人項目。Hosoi有興趣設計小規模的液壓機器人，可以執行類似于大型機器人的行動，如Boston Dynamic的Big Dog，一種四腳的圣伯納德大小的機器人，在液壓執行器的驅動下，在崎嶇的地形上奔跑和跳躍。

“對于小型系統，制造微小的移動件通常很昂貴，”Hosoi說。“所以我們想，'如果我們能制造一個可以產生大壓力而沒有活動部件的小型液壓系統怎么辦?' 然后我們問道，“這有什么用呢?” 事實證明樹木確實如此。“

生物學家普遍認識到，由表面張力推動的水沿樹木的木質部通道向上傳播，然后通過半透膜擴散到含有糖和其他營養物質的韌皮部通道中。

韌皮部中的糖含量越多，從木質部到韌皮部的水越多，以平衡糖水梯度，被稱為滲透作用。由此產生的水流將營養物質沖洗到根部。樹木和植物被認為可以保持這種抽水過程，因為從它們的根部吸取更多的水。

“這種簡單的木質部和韌皮部模型幾十年來一直聞名，”Hosoi說。“從定性的角度來看，這是有道理的。但是當你真正運行這些數字時，你會發現這個簡單的模型不允許穩定流動。“

事實上，工程師之前曾嘗試設計樹木式微流體泵，制造模仿木質部和韌皮部的部件。但他們發現這些設計很快就會在幾分鐘內停止抽水。

正是Hosoi的學生Comtet確定了樹木抽水系統的第三個重要部分：它的葉子，通過光合作用產生糖分。Comtet的模型包括這種額外的糖源，它們從葉子擴散到植物的韌皮部，增加了糖水梯度，從而保持了恒定的滲透壓，循環水和養分在整棵樹中不斷循環。

在糖上運行

考慮到Comtet的假設，Hosoi和她的團隊設計了他們的樹上芯片，這是一種微流體泵，模仿樹木的木質部，韌皮部，最重要的是它的產糖葉。

為了制作芯片，研究人員將兩個塑料載玻片夾在中間，通過它們鉆出小通道來代表木質部和韌皮部。它們用水填充木質部通道，用水和糖填充韌皮部通道，然后用半透性材料分離兩個載玻片，以模擬木質部和韌皮部之間的膜。他們在含有韌皮部通道的載玻片上放置另一個膜，并在頂部放置一個糖塊，以代表從樹葉擴散到韌皮部的額外糖源。他們將芯片連接到管子上，管子將水從罐子送入芯片。

通過這種簡單的設置，芯片能夠被水從罐中被動地泵送通過芯片并以恒定的流速進入燒杯，持續數天，而不是先前僅泵送幾分鐘的設計。

“一旦我們放入這種糖源，我們就會在穩定狀態下運行數天，”Hosoi說。“這正是我們所需要的。我們想要一個我們可以放入機器人的設備。“

Hosoi設想，片上樹脂泵可以內置在一個小型機器人中，以產生液壓動力運動，而無需主動泵或部件。

“如果你以一種聰明的方式設計你的機器人，你絕對可以在它上面放一個糖塊然后放手，”Hosoi說。