מהנדסים עיצוב "עץ על שבב": מכשיר Microfluidic מייצר כוח הידראולי פסיבית

Anonim

עצים וצמחים אחרים, מ רדווד מתנשא עד חינניות זעירות, הן משאבות הידראולי של הטבע. הם מושכים כל הזמן מים מן השורשים שלהם אל עליון הדף, ואת הסוכרים שאיבה המיוצרים על ידי משאיר שלהם בחזרה אל השורשים. זרם קבוע זה של חומרים מזינים מועבר דרך מערכת של רקמות הנקראות עצה ופלאם, אשר ארוזים יחד בצינורות עץ, מקבילים.

עכשיו מהנדסים ב- MIT ומשתפי הפעולה שלהם עיצבו מכשיר microfluidic שהם מכנים "עץ על שבב", אשר מחקה את מנגנון שאיבה של עצים וצמחים. כמו עמיתיו הטבעיים, השבב פועל באופן פסיבי, שאינו דורש חלקים נעים או משאבות חיצוניות. זה יכול לשאוב מים וסוכרים דרך שבב בקצב זרימה קבוע במשך כמה ימים. התוצאות מתפרסמות השבוע בטבע.

אנט "Peko" Hosoi, פרופסור וראש המחלקה לקשר עבור המחלקה להנדסת מכונות של MIT, אומר שאיבה פסיבית של שבב יכול להיות ממונף כמפעיל הידראולי פשוט עבור רובוטים קטנים. מהנדסים מצאו את זה קשה ויקר לעשות חלקים זעירים, מטלטלין ומשאבות כוח תנועות מורכבות ברובוטים קטנים. מנגנון השאיבה החדש של הקבוצה עשוי לאפשר לרובוטים שתנועותיהם מונעות על ידי משאבות זולות, המופעלות באמצעות סוכר.

"המטרה של עבודה זו היא מורכבות זולה, כמו שרואים בטבע", אומר חוסוי. "קל להוסיף עוד עלה או ערוץ עצה בעץ, ברובוטיקה קטנה הכל קשה, מהייצור ועד אינטגרציה, לאקטואציה, אם נצליח לבנות את אבני הבניין שמאפשרות מורכבות זולה, זה יהיה מרגש. חושב אלה (משאבות microfluidic) הם צעד בכיוון הזה. "

מחבריו של חוסוי על הנייר הם הסופר הראשי ז'אן קומטט, סטודנט לשעבר לתואר שני במחלקה להנדסת מכונות של MIT; Kaare Jensen של האוניברסיטה הטכנית של דנמרק; ורוברט טורג'ון ואברהם סטרוק, שניהם מאוניברסיטת קורנל.

מעלית הידראולית

העבודה בהשראת העץ של הקבוצה צמחה מתוך פרויקט על רובוטים הידראוליים המופעלים על ידי נוזל שאיבה. Hosoi היה מעוניין בעיצוב רובוטים הידראוליים בקנה מידה קטן, כי יכול לבצע פעולות דומות לרובוטים גדולים הרבה יותר כמו כלב גדול של בוסטון דינמי, רובוט ארבע רגליים, סנט ברנרד בגודל אשר פועל וקופץ על פני השטח מחוספס, מופעל על ידי מפעילים הידראולי.

"עבור מערכות קטנות, זה לעתים קרובות יקר לייצר קטעים זעירים נעים", אומר Hosoi. "אז חשבנו, 'מה אם נוכל ליצור מערכת הידראולית בקנה מידה קטן שיכול ליצור לחצים גדולים, ללא חלקים נעים?' ואז שאלנו, 'האם משהו עושה את זה בטבע?' מתברר שעצים עושים ".

ההבנה הכללית בקרב הביולוגים היא כי מים, מונעים על ידי מתח פני השטח, עולה על ערוצי העצים של העץ, ואז מתפזרת דרך קרום חצי למחצה לתוך תעלות של חלום המכילים סוכר וחומרים מזינים אחרים.

ככל שיש יותר סוכר בפלאם, כך זורמים יותר מים מן העצה אל הפלאם כדי לאזן את ההדרגת הסוכר אל המים, בתהליך פסיבי הקרוי אוסמוזה. זרימת המים וכתוצאה מכך מורידה את החומרים המזינים אל השורשים. עצים וצמחים נחשבים לשמור על תהליך שאיבה זה כמו מים יותר הוא נמשך מן השורשים שלהם.

"המודל הפשוט הזה של עצה ופלאם ידוע כבר עשרות שנים", אומר הוסי. "מנקודת מבט איכותית, זה הגיוני, אבל כשאתה מפעיל את המספרים, אתה מבין שהמודל הפשוט הזה לא מאפשר זרימה יציבה".

למעשה, מהנדסים ניסו בעבר לעצב עץ בהשראת משאבות microfluidic, בודה חלקים המחקים את העצה ואת הלוע. אבל הם מצאו כי עיצובים אלה במהירות הפסיק לשאוב בתוך דקות.

זה היה תלמידו של הוסי, שזיהה חלק שלישי מהותי במערכת השאיבה של העץ: העלים שלה, המייצרים סוכרים באמצעות פוטוסינתזה. המודל של קומטט כולל מקור נוסף זה של סוכרים המתפזרים מהעלים לפלאם של צמח, המגדיל את שיפוע הסוכר אל המים, אשר שומר על לחץ אוסמוטי קבוע, המפיץ מים וחומרים מזינים באופן קבוע לאורך כל עץ.

רץ על סוכר

עם ההיפותזה של Comtet, Hosoi וצוותה עיצבו את העץ שלהם על שבב, משאבה microfluidic המחקה את העצה של עץ, floem, והכי חשוב, שלה לייצר סוכר משאיר.

כדי להפוך את השבב, החוקרים דחפו יחד שני שקופיות פלסטיק, שדרכם הם קדחו ערוצים קטנים לייצג עצה ופלאם. הם מילאו את ערוץ העצה במים, והפלום תעלה במים וסוכר, ואז הפרידו בין שתי השקופיות בחומר סמיך למחצה לחקות את הממברנה בין עצה לפלאם. הם הניחו קרום נוסף על השקופית שמכילה את תעלת הפלאם, והניחו קוביית סוכר מלמעלה כדי לייצג את מקור הסוכר הנוסף הנפרש מעלים של עץ אל תוך הפלאם. הם קשרו את השבב עד לצינור, שהזין מים מטנק לתוך השבב.

בעזרת התקנה פשוטה זו, השבב היה מסוגל לשאוב באופן פסיבי מים מהטנק דרך השבב ולצאת לתוך כוס, בקצב זרימה קבוע במשך מספר ימים, בניגוד לעיצובים קודמים שרק נשאבו במשך מספר דקות.

"ברגע שהכנסנו את מקור הסוכר הזה, היה לנו את זה לרוץ במשך ימים במצב יציב", אומר Hosoi. "זה בדיוק מה שאנחנו צריכים, אנחנו רוצים מכשיר שאנחנו יכולים לשים ברובוט".

Hosoi חוזה כי משאבת עץ על שבב עשוי להיבנות לתוך רובוט קטן לייצר תנועות הידראולי מופעל, ללא צורך משאבות או חלקים פעיל.

"אם אתה מעצב את הרובוט שלך בצורה חכמה, אתה יכול בהחלט מקל קוביית סוכר על זה ולתת לו ללכת", אומר Hosoi.

menu
menu