微流体装置为为微型机器人提供动力

寂静回声

美国麻省理工学院近日发布公告称，该校研究人员模仿树木和植物的泵送机制，设计出一种名叫“树叶芯片”的微流体装置，能以稳定流速在芯片内输送水和糖分等长达数天之久。这项发表在《自然·植物》杂志上的最新成果有望为小型机器人带来低成本液压动力装置。
大到红木，小到雏菊，树木和很多植物内的木质和韧皮等组织系统能形成天然液压泵，这些液压泵通过不耗费任何能量的渗透过程，既能将根部水分泵送到顶端叶片，也能将叶片的糖分等营养物质泵回根部。基于这些认知，之前有研究已经开发出模拟木质和韧皮的微流体泵，但这些设计往往只能工作几分钟就会停止，效果不佳。
这次新研究中，麻省理工学院机械工程学教授阿奈特·霍索伊(Anette "Peko" Hosoi)带领其团队将树木泵送系统中的另一个重要部分——树叶纳入微流体装置中。新的“树叶芯片”除了模拟木质和韧皮，还模拟树叶通过光合作用泵送糖分，将糖分从树叶输送到韧皮，增加糖—水浓度差，从而保持稳定的渗透压，让水和营养物质在芯片中持续循环时间从几分钟提高到数天之久。
“树叶芯片”采用一种三明治结构，两个塑料滑片分别代表木质和韧皮，中间用半渗透性材料隔开。木质滑片的小通道内充满水，韧皮滑片的小通道内充满糖水，韧皮滑片上再覆盖另一层膜，以模拟树叶不断向韧皮补充糖分。实验小组将“树叶芯片”与试管相连，成功将试管里水分抽送到芯片内，然后又将水分泵送到另一个烧杯中。
在一些环境恶劣的地方，往往需要微型机器人开展工作，为了让这些机器人“跑跳”起来，安装微型活动组件不仅困难重重，且成本昂贵。现在，“树叶芯片”能充当微型液压系统，通过补充糖分提供强大渗透压，让微型机器人不需安装其他部件就能低成本运行。

背景简介
2014年，阿奈特·霍索教授和她的研究生娜迪亚·程研制出了一种用蜡和泡沫制成的材料，能够在柔软和坚硬这两种状态间转化，甚至还能以低成本让机器人实现像T-1000那样的特殊能力。
2015年，阿奈特·霍索教授带领团队研制出海狸潜水服，灵感来自于她指导麻省理工学院体育科技及教育计划，在2015年夏天，阿奈特·霍索带领学生前往台湾，在那里他们参观了一些运动商品制造商，包括潜水服制造商Sheico团队。“他们对可持续性很感兴趣，并且问我们：‘现在有针对潜水服的仿生材料吗？’” 阿奈特·霍索说道。在团队旅行回来后，阿奈特·霍索分派任务，受海狸的启发，麻省理工学院的工程师们制作出一种有弹性的毛皮，并且试图应用它来确定毛皮浸入液体中时是怎样捕捉空气的。研究海狸这类哺乳动物是如何隔绝他们自身不被浸湿的。研究结果也可用于指导设计仿生材料，尤其是温暖、毛茸茸的雨衣。阿奈特·霍索教授说道，“我们可以控制毛的长度、间距和排列，这就允许我们设计的纹理匹配一定的俯冲速度，最大化潜水服的干燥区。”
教授主页  http://meche.mit.edu/people/faculty/peko@mit.edu

教授公开课：http://www2.myoops.org/twocw/mit/Mechanical-Engineering/2-26Spring2004/CourseHome/index.htm (适合硕士研究生）
http://jxpt.cuit.edu.cn/resource/guest/courses/ocw/attribute.jsp?erid=100951