微流体装置产生“无源”液压动力，可用于驱动小型机器人。
从高耸的红木，到低矮的小雏菊，这些大自然中的植物都是天然的液压泵，它们源源不断地将水分从植物的根部输送到树叶顶端，并将叶子产生的糖分再输送回根部。这种稳定的内部输运是靠植物木质部与韧皮部中的导管和筛管来实现。
不久之前，麻省理工学院联合其他地方的科学家们一起合作，开发了一种称之为“树叶芯片”的全新微流体装置。他们研发的这一装置模仿了树木及植物中养分的输运机制：犹如自然界中的植物一般，这块芯片完全不需要外部能源就能工作。它能以稳定的流速输送水与糖分，持续至数日之久。该研究结果刊发在近日出版的《Nature Plant》杂志上。
麻省理工学院机械工程系教授安内特·霍索（Anette “Peko” Hosoi）表示，在不远的将来，这一芯片上的无源水泵或许可用做驱动小型机器人。
在过去，工程师们只能使用具有微型可移动部件的液压系统来驱动小型机器人的复杂运动，但这样的系统不仅制作难度高，而且成本高昂。麻省理工学院这个团队所研发的这一新型水泵，或许会改变这一现状，让未来的小型机器人仅靠“吃糖”来获取动力。
液压原动力
这项灵感源自树木的研究，最初的目的是设计一款液泵驱动的液压机器人。霍索对于设计小型液压机器人十分感兴趣，她希望这些小型机器人有朝一日可以媲美赫赫有名的“机器狗”。波士顿动力公司研发的“机器狗”拥有四条腿，体型与一条圣伯纳德犬相近。它如同高性能山地车一般，能够在崎岖的山地上奔跑和跳跃。
霍索说，“对于小型系统而言，制造微型可移动部件是十分昂贵的。所以我们就想，为什么不制造一个可以产生很大压力，却不包含任何可移动部件的小型液压系统呢？接下来我们就问自己，在自然界中，这样的系统存在吗？而最终我们意识到，大自然的树木不正是如此吗！”
这样的过程目前在生物学家中的共识是：水在表面张力的驱动下，沿树木木质部中的导管向上移动，然后在渗透压的驱动下通过一层半透膜，进入韧皮部中含有糖和其他有机物的筛管。
随着韧皮部中的糖分越来越多，在渗透压的作用下，将有更多的水从木质部自发地扩散到韧皮部。最终，产生的水流会将糖分等有机物“冲刷”到根部。这样，在根部也产生了渗透压，进而从土壤中吸入更多的水，然后通过导管向上传输，这样就形成了一个完美的循环。
树木内部构建而成的这个简单的“水循环”传输模型，其实早在数十年前就被科学家们发现了。尽管原理非常容易理解，并且符合逻辑，但是进行量化模拟时，科学家们发现，这个简单的模型根本无法解释植物中为何会出现稳定的液体流动。
事实上，在此之前，工程师们曾试图设计类似的微流体泵，并制作出了木质部和韧皮部的仿生部件。但在他们设计出来的系统中，物质的输送只能维持短短的几分钟。
而现在，霍索教授的学生康姆泰特找出了树木泵送系统中，韧皮部和木质部之外的第三块重要的拼图：叶子，它可以通过光合作用产生糖分。在康姆泰特的最终模型里，就包含了这个额外的糖源，糖分源源不断地从叶子向植物的韧皮部扩散，从而增大了糖分与水分的浓度梯度，继而使得整颗树能够保持恒定的渗透压，最终实现水分与营养物质的连续循环。
用糖来奔跑
基于康姆泰特的假设，霍索教授和她的团队设计了这一款新型“树叶芯片”，这一微流体泵同时对木质部，韧皮部以及作为糖源的叶子进行了仿生。
为了制造这款微流体芯片，研究人员将两块塑料片夹在一起，并在载玻片上钻出小通道，用以代表木质部的导管和韧皮部的筛管。随后，他们用水填充导管，用糖水填充筛管，然后用半透性材料隔开了两个载玻片，用以模拟木质部和韧皮部之间的半透膜。
接下来，在模拟韧皮部的载玻片上放置了另一个膜，并且在顶部放了一块糖块，用以代表从树叶扩散到韧皮部中的额外糖源。最后，他们把整套装置挂放在一根管子上，使得水能够从水箱流入微流体芯片中。
通过这样的简单设计，使得这套系统能够以恒定的流速从罐子抽取水分，经由芯片，再泵送到烧杯中，整个过程无需外加能源。此外系统可以持续工作数日之久，这相较于之前的区区几分钟，无疑是巨大的进步。
霍索表示：“我们一把这个糖源加上之后，这个微流体泵就能以稳定的状态，连续运行好几天。这正是我们想要的。我们一直想要设计一个可以植入微型机器人的设备。”
霍索还设想，这种拟树微流体泵可以内置于小型机器人中，产生液压驱动力，进而直接驱动机器人运动，这样就不需要配备有源泵或者其他部件。她表示，如果能对机器人进行巧妙地设计，以后绝对可以在机器人身上贴上一块方糖，它就会自己动起来了。
相关论文的第一作者是毕业于麻省理工学院机械工程系的研究生简·康姆泰特（Jean Comtet），其他共同作者还包括：来自丹麦技术大学的卡瑞· 简森（Karre Jensen），以及康奈尔大学的罗伯特·特简（Robert Turgeon）和亚巴拉罕·斯特洛克（Abraham Stroock）。
编辑：胡仲略
