Инженеры создали «дерево-на-чипе»: микрофлюидное устройство генерирует пассивную гидравлическую мощность

Инженеры из MIT и их коллабораторы разработали микрофлюидное устройство «дерево-на-чипе», которое имитирует механизм перекачки жидкости у деревьев и растений. Как и природные аналоги, чип работает пассивно, без движущихся частей или внешних насосов. Он способен перекачивать воду и сахара с постоянной скоростью потока в течение нескольких дней. Результаты опубликованы на этой неделе в Nature Plants.

Пассивная перекачка в чипе может быть использована в качестве простого гидравлического привода для небольших роботов. Создание крошечных движущихся частей и насосов для сложных движений в малых роботах — сложная и дорогая задача. Новый механизм может позволить создавать роботов, движения которых приводятся в действие недорогими насосами на сахаре.

Цель этой работы — дешёвая сложность, как в природе. Если бы мы могли создать строительные блоки, обеспечивающие дешёвую сложность, это было бы очень интересно. Я думаю, эти [микрофлюидные насосы] — шаг в этом направлении, — говорит профессор Аннет «Пеко» Хосой.

Гидравлический подъёмник

Работа группы выросла из проекта по гидравлическим роботам. Хосой интересовало создание гидравлических систем малого масштаба, способных генерировать большое давление без движущихся частей. Оказалось, что деревья делают именно это.

Общепринятая биологическая модель предполагает, что вода поднимается по каналам ксилемы, затем проходит через полупроницаемую мембрану в каналы флоэмы, содержащие сахар, за счёт осмоса. Однако простые расчёты показывают, что эта модель не обеспечивает стабильный поток. Предыдущие попытки создать такие насосы приводили к остановке перекачки через несколько минут.

Аспирант Жан Комте выявил третий ключевой элемент насосной системы дерева: листья, которые производят сахара в процессе фотосинтеза. Его модель включает этот дополнительный источник сахаров, диффундирующих из листьев во флоэму. Это увеличивает градиент концентрации сахара и поддерживает постоянное осмотическое давление, обеспечивая непрерывную циркуляцию воды и питательных веществ.

Работа на сахаре

Команда Хосой создала чип, имитирующий ксилему, флоэму и, что важнее всего, производящие сахар листья.

Устройство состоит из двух пластиковых пластин с микроканалами (ксилема и флоэма). Канал ксилемы заполнили водой, канал флоэмы — водой с сахаром. Пластины разделили полупроницаемым материалом, имитирующим мембрану. Поверх флоэмы поместили ещё одну мембрану и кубик сахара, представляющий источник сахара из листьев. Чип подключили к трубке, подающей воду из резервуара.

В этой конфигурации чип смог пассивно перекачивать воду из резервуара с постоянной скоростью в течение нескольких дней, в отличие от предыдущих конструкций, работавших лишь минуты.

Как только мы добавили этот источник сахара, устройство работало несколько дней в устойчивом состоянии. Это именно то, что нам нужно. Мы хотим устройство, которое можно реально поместить в робота, — отмечает Хосой.

Профессор предполагает, что насос «дерево-на-чипе» может быть встроен в небольшого робота для создания гидравлически управляемых движений без активных насосов или сложных деталей: Если вы грамотно спроектируете робота, вы вполне можете прикрепить к нему кубик сахара и отпустить его.