工程师设计产生被动液压动力的微流体装置 2017-07-09 05:12:01

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工程师设计了一种微流体装置,模仿树木和植物的泵送机制,产生被动液压动力,可用于使小型机器人移动树木和其他植物,从高耸的红木到小型雏菊,是大自然的液压泵他们不断拉水从它们的根部到最顶端的叶子,并将它们的叶子产生的糖分回到根部这种恒定的营养物质通过称为木质部和韧皮部的组织系统穿梭,这些组织以木质,平行的管道包装在一起现在工程师们麻省理工学院和他们的合作者设计了一种微流体装置,他们称之为“树上树”,模仿树木和植物的泵送机制

与天然对应物一样,芯片被动操作,不需要移动部件或外部泵

能够以稳定的流速将水和糖通过芯片泵送数天

结果发表在本周的Nature Plants Anet上麻省理工学院机械工程系教授兼副主任te“Peko”Hosoi表示,该芯片的被动泵送可用作小型机器人的简单液压执行器工程师发现制造微小的可移动部件和泵为小型机器人中的复杂运动提供动力该团队的新型泵送机制可以使机器人的动作由廉价的糖动力泵推动“这项工作的目标是廉价的复杂性,就像人们看到的那样,”Hosoi说“这很容易在树中添加另一片叶子或木质部通道在小型机器人技术中,从制造到集成再到驱动,一切都很艰难如果我们能够制造出能够实现廉价复杂性的构建模块,这将是非常令人兴奋的我认为这些[微流体泵]是向这个方向迈出了一步“Hosoi在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的前研究生eering;丹麦技术大学的Kaare Jensen;康奈尔大学的Robert Turgeon和Abraham Stroock与其天然对应物一样,芯片无源操作,无需移动部件或外部泵它能够以稳定的流速将水和糖通过芯片泵送数天液压升降机该组织的树木启发工作源自一个由泵送液体驱动的液压机器人项目.Hosoi有兴趣设计小规模的液压机器人,可以执行类似于更大的机器人的行动,如Boston Dynamic的Big Dog,四条腿,圣伯纳德大小的机器人在崎岖的地形上奔跑和跳跃,由液压执行器驱动“对于小型系统,制造微小的移动件通常很昂贵,”Hosoi说:“我们想,'如果我们能做一个小型液压怎么办

系统可以产生很大的压力,没有活动部件

'然后我们问,'这样做有什么性质的吗

'事实证明树木做了“一般的理解我生物学家一直认为水是由表面张力推动的,沿着树木的木质部通道向上传播,然后通过半透膜扩散到含有糖和其他营养素的韧皮部通道中

韧皮部中的糖越多,水越多从木质部流到韧皮部,以平衡糖水梯度,被称为渗透作用的被动过程由此产生的水流将营养物质冲刷到根部

树木和植物被认为可以保持这种泵送过程,因为更多的水从他们的根源“这种简单的木质部和韧皮部模型已经知名数十年,”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,你会发现这个简单的模型不允许稳定流程“事实上,工程师之前曾尝试设计树木式微流体泵,制造模仿木质部和韧皮部的部件但是他们发现这些设计很快停止了泵送分钟Hosoi的学生Comtet确定了树木泵送系统的第三个重要部分:它的叶子通过光合作用产生糖类Comtet的模型包括从叶子扩散到植物韧皮部的额外糖源,增加糖的含量

水梯度,反过来保持恒定的渗透压,循环水和营养物质在树上不断 糖的运行考虑到Comtet的假设,Hosoi和她的团队设计了他们的树上芯片,一种微流体泵,模仿树木的木质部,韧皮部,最重要的是,它的产糖叶片制造芯片,研究人员夹在两个塑料载玻片上,通过它们钻出小通道来代表木质部和韧皮部它们用水填充木质部通道,用水和糖填充韧皮部通道,然后用半透性材料分离两个载玻片以模拟木质部和木质部之间的膜

韧皮部他们在含有韧皮部通道的载玻片上放置了另一个膜,并在顶部放置一个糖块,以代表从树叶扩散到韧皮部的额外糖源

他们将芯片连接到一个管子,从罐子里取水进入芯片通过这种简单的设置,芯片能够将水从罐中被动地泵送通过芯片并以恒定的流速进入烧杯,持续数天,而不是以前只抽了几分钟的设计“只要我们把这个糖源放进去,就会让它在稳定状态下运行几天,”Hosoi说“这正是我们需要的东西我们想要一个我们可以放入机器人的设备“Hosoi设想片上树脂泵可以内置在一个小型机器人中,以产生液压动力运动,无需主动泵或部件”如果你以聪明的方式设计你的机器人,你绝对可以坚持使用糖块并且放手吧,“Hosoi说这项研究得到了国防先进研究计划署出版物:Jean Comtet等人的支持,”被动韧皮部装载和长距离运输在合成树上-chip,“Nature Plants 3,产品编号:17032(2017)doi:101038 / nplants201732来源:Jennifer Chu,麻省理工学院新闻