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美国麻省理工学院（MIT）和其合作伙伴设计出一款能够模拟树木和其他植物泵浦机制的微流体器件，并取名为“芯片上大树”。与自然情况下相类似，该芯片被动工作，不需要移动的部件或外部泵，能够以稳定的速率持续数年的通过芯片来抽取水和糖。研究结果发布在这周的《自然植物》上。 论文的作者包括MIT机械工程学院的教授和学院执行副主任Anette "Peko" Hosoi和其学生Jean Comtet、丹麦技术大学的Kaare Jensen，以及康奈尔大学的Robert Turgeon和Abraham Stroock。 该研究团队受树激发的工作来源于一个由泵输送液体功能的液压机器人。Hosoi重点研究设计小尺寸液压机器人，所能实现的动作要与大得多的机器人相同，如波士顿动力公司的“大狗”。该机器人是一个四条腿、圣伯纳德狗尺寸的机器人，能够在地形条件恶劣的地区跑和跳，该机器人正由液压执行器供能，如下图所示。 图为著名的波士顿动力公司的“大狗”机器人 Hosoi表示，“对于小系统，要知道小的移动部件通常很昂贵。所以我们想，我们制造一个没有移动部件却能产生大压力的小型液压系统。然后我们问，自然界有没有能这样的，结果是树能够做”。 树木和其他植物，从高耸的塔状红杉到小雏菊，均使用自然的液压泵。他们持续从其根部泵出水来灌溉最顶端的树叶，同时将其叶子产生的糖分输送回根部。持续的营养流通过一个包含木质部和韧皮部的组织系统来往返传递，这些组织堆叠在木质、并行的管道中。 生物学家的通常认识是水由表面张力来推动，穿过树的木质部通道，通过一个半透膜耗散后，进入包含糖分和其他营养成分的韧皮部。韧皮部所包含的糖分越多，从木质部就会有更多的水以被动的方式流入到韧皮部来平衡水-糖比例，该过程叫做渗透。树和植物被动地保持这种泵浦机制，更多的水从底部抽取上来。 Hosoi表示：“木质部和韧皮部的简单模型为大众所知已有数十年的时间。从定性的角度看，这有意义。但是当真正跑起来时，发现该简单模型并不能提供稳定的流动。”事实上，工程师在此前尝试过设计由树激发的微流体泵，制造能够模拟木质部和韧皮部的部件，但是他们发现这些设计在几分钟内很快就停止了泵浦。 Comtet发现了对于树泵浦结构的第三个重要部分——可通过光和作用产生糖分的树叶。Comtet的模型包含了这个附加糖源，糖分可以从树叶扩散至植物的韧皮部，增加水-糖比例，这反过来保持了持续的渗透性压力，持续在树内循环水平和营养物质。 Hosoi和其团队设计出了“芯片上大树”，一个能够模拟大树木质部和韧皮部、及最重要的能产生糖的叶子的微流体泵。 要实现这个泵，研究人员将两块塑料以三明治方式排列，在其上他们钻有小通道来代表木质部和韧皮部。他们在木质部通道里填充了水，在韧皮部通道填充了水和糖，然后用一个半透材料将两片进行隔离来模拟木质部和韧皮部之间的薄膜。他们将另外一个薄膜覆盖在含有韧皮部通道的塑料片上，并将一个方糖放在顶部来代表可从树叶上扩散至韧皮部的附加糖源。他们将芯片固定在一个管子上，该管子从一个水槽中抽取水分供给芯片。结构如下图所示。 图为芯片上大树的结构 在这个简单的装置中，芯片能够被动的通过芯片从水槽中抽取水并流到烧杯中，并以稳定的流速持续数天。Hosoi表示“只要我们将该糖源放上，我们能够使其以稳定的速度工作几天。这就是我们想要的，我们希望实现一个能真正放到机器人中的器件。” Hosoi表示，该芯片被动泵可用于作为小机器人的简单液压驱动器。工程师发现其很难、成本很高来制造小型、可移动器件和泵来为小型机器人中的复杂移动来功能。该团队的新泵浦机制可以支持机器人，通过价格低廉、糖驱动的泵来推进动作。 Hosoi说：“这个工作的目标是廉价复杂性。从制造来看，要集成和驱动小机器人，每一件事情都是困难的。如果我们能够制造出一个支持廉价复杂性的组成模块，将是超级令人激动。我认为这些（微流体泵）是朝这个方向迈出的一步”。 Hosoi的愿景是芯片上大树泵浦能够用在小机器人中来制造液压驱动，不需要有源泵或其他器件。“如果你以智能化方式设计你的机器人，你一定还会将方糖放在上面，并让他开始走。”
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