工程师设计生成被动式液压动力的微流体装置核心技术

2018-05-16

工程师设计了一种模拟树木和植物泵送机制的微流体装置,产生可用于制造小型机器人的被动液压动力。 / em

大自然的液压泵,树木和其他植物,从高耸的红木到小雏菊。他们不断地将水从根部抽到最上面的叶子上,并将叶子产生的糖类抽回到根部。这种持续不断的营养物流通过称为木质部和韧皮部的组织系统穿梭在木质平行导管中。

现在,麻省理工学院的工程师和他们的合作者已经设计出了一种他们称之为“树上芯片”的微流体设备,它模拟树木和植物的泵送机制。像其天然产品一样,芯片被动运行,不需要移动部件或外部泵。它可以将水和糖以稳定的流速泵入芯片几天。结果在本周发布在 em Nature Plants / em&gt ;.

Anette“Peko”Hosoi,麻省理工学院机械工程系教授兼副系主任表示,该芯片的无源泵可作为小型机器人的简单液压执行器。工程师发现,制造微型可移动部件和泵可以为小型机器人的复杂运动提供动力,这很困难且代价高昂。该团队的新泵送机制可能使机器人的运动受到便宜的糖泵驱动。

“这项工作的目标是便宜的复杂性,就像在自然界看到的一样,”Hosoi说。 “在树上添加另一片叶子或木质部通道很容易。在小型机器人领域,从制造到集成到致动都是非常困难的。如果我们能够制造能够降低复杂性的构建模块,那将会非常令人兴奋。我认为这些[微流体泵]是朝这个方向迈出的一步。“

Hosoi在该论文中的合着者是主要作者Jean Comtet,麻省理工学院机械工程系前研究生;丹麦技术大学的Kaare Jensen;和康奈尔大学的Robert Turgeon和Abraham Stroock。

像其天然产品一样,芯片被动运行,不需要移动部件或外部泵。它可以将水和糖以稳定的流速泵入芯片几天。

液压升降机

该集团的树型工作源自于一项泵送液压机器人的项目。 Hosoi对小型液压机器人的设计很感兴趣,它可以执行类似于波士顿动态的Big Dog这样的大型机器人的动作,这种机器人是一种四足的,圣伯纳德大小的机器人,可以在液压驱动器的驱动下跳过崎岖的地形。

“对于小型系统来说,制造微小的移动部件往往是昂贵的,”Hosoi说。 “所以我们认为,'如果我们能够制造一个小型液压系统,可能产生很大的压力,而没有运动部件呢?'然后我们问'大自然中是否有这样的事情?'事实证明,树木的确如此。 ”

生物学家普遍认识到,由表面张力推动的水在树木的木质部通道上游,然后通过半渗透膜扩散到含有糖和其他营养素的韧皮部。

韧皮部的糖分越多,从木质部向韧皮部流出的水量就越多,以平衡糖分水分梯度,这种被动过程称为渗透。由此产生的水流将营养素冲到根部。人们认为树木和植物可以维持这种抽水过程,因为更多的水从根部吸收。

“这种简单的木质部和韧皮部模型几十年来一直很有名,”Hosoi说。 “从定性的角度来看,这是有道理的。但是当你真正运行这些数字时,你意识到这个简单的模型不允许稳定的流量。“

实际上,工程师以前曾尝试设计树状微流体泵,制造模拟木质部和韧皮部的部件。但他们发现这些设计在几分钟内就迅速停止了泵送。

Hosoi的学生Comtet确定了树木抽水系统的第三个重要部分:叶子,通过光合作用产生糖。 Comtet的模型包括从叶片扩散到植物韧皮部的这种额外的糖源,增加了糖对水的梯度,从而保持了恒定的渗透压,使水和养分在整棵树上不断循环。

用糖加糖

考虑到Comtet的假设,Hosoi和她的团队设计了他们的树上芯片,一种模仿树木木质部,韧皮部,最重要的是其产糖叶的微流体泵。

研究人员为了制造芯片,将两块塑料载玻片夹在一起,通过它们钻出小通道代表木质部和韧皮部。他们用水填充木质部通道,用水和糖填充韧皮部通道,然后用半渗透材料分离两片载玻片以模拟木质部和韧皮部之间的膜。他们在含有韧皮部通道的载玻片上放置了另一个膜,并在顶部放置了一个糖块,以代表额外的糖从树的叶片扩散到韧皮部。他们将芯片连接到一根管子上,管子将水箱中的水送入芯片。

通过这个简单的设置,芯片能够被动地将水从罐中抽出并通过芯片泵入烧杯中,并保持几天的恒定流速,而不是以前的设计只需要抽几分钟。

“一旦我们把这个糖源放进去,我们就会在稳定状态下运行数天,”Hosoi说。 “这正是我们需要的。我们需要一个我们可以放入机器人的设备。“

Hosoi预计,片上树状结构的泵可能内置于小型机器人中,以产生液压动力运动,而不需要有源泵或部件。

“如果你聪明地设计你的机器人,你绝对可以在它上面粘上一个方糖,然后放下它,”Hosoi说。

这项研究得到了国防部高级研究计划局的部分支持。

出版物:Jean Comtet等人,“被动韧皮部装载和合成片上长距离运输”,Nature Plants 3,文章编号:17032(2017)doi:10.1038 / nplants.2017.32

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu