MIT工程師設計樹葉晶元，無需外部能源可用於驅動小型機器人

微流體裝置產生「無源」液壓動力，可用於驅動小型機器人。

從高聳的紅木，到低矮的小雛菊，這些大自然中的植物都是天然的液壓泵，它們源源不斷地將水分從植物的根部輸送到樹葉頂端，並將葉子產生的糖分再輸送回根部。這種穩定的內部輸運是靠植物木質部與韌皮部中的導管和篩管來實現。

不久之前，麻省理工學院聯合其他地方的科學家們一起合作，開發了一種稱之為「樹葉晶元」的全新微流體裝置。他們研發的這一裝置模仿了樹木及植物中養分的輸運機制：猶如自然界中的植物一般，這塊晶元完全不需要外部能源就能工作。它能以穩定的流速輸送水與糖分，持續至數日之久。該研究結果刊發在近日出版的《Nature Plant》雜誌上。

麻省理工學院機械工程系教授安內特·霍索（Anette 「Peko」 Hosoi）表示，在不遠的將來，這一晶元上的無源水泵或許可用做驅動小型機器人。

在過去，工程師們只能使用具有微型可移動部件的液壓系統來驅動小型機器人的複雜運動，但這樣的系統不僅製作難度高，而且成本高昂。麻省理工學院這個團隊所研發的這一新型水泵，或許會改變這一現狀，讓未來的小型機器人僅靠「吃糖」來獲取動力。

液壓原動力

這項靈感源自樹木的研究，最初的目的是設計一款液泵驅動的液壓機器人。霍索對於設計小型液壓機器人十分感興趣，她希望這些小型機器人有朝一日可以媲美赫赫有名的「機器狗」。波士頓動力公司研發的「機器狗」擁有四條腿，體型與一條聖伯納德犬相近。它如同高性能山地車一般，能夠在崎嶇的山地上奔跑和跳躍。

霍索說，「對於小型系統而言，製造微型可移動部件是十分昂貴的。所以我們就想，為什麼不製造一個可以產生很大壓力，卻不包含任何可移動部件的小型液壓系統呢？接下來我們就問自己，在自然界中，這樣的系統存在嗎？而最終我們意識到，大自然的樹木不正是如此嗎！」

這樣的過程目前在生物學家中的共識是：水在表面張力的驅動下，沿樹木木質部中的導管向上移動，然後在滲透壓的驅動下通過一層半透膜，進入韌皮部中含有糖和其他有機物的篩管。

隨著韌皮部中的糖分越來越多，在滲透壓的作用下，將有更多的水從木質部自發地擴散到韌皮部。最終，產生的水流會將糖分等有機物「沖刷」到根部。這樣，在根部也產生了滲透壓，進而從土壤中吸入更多的水，然後通過導管向上傳輸，這樣就形成了一個完美的循環。

樹木內部構建而成的這個簡單的「水循環」傳輸模型，其實早在數十年前就被科學家們發現了。儘管原理非常容易理解，並且符合邏輯，但是進行量化模擬時，科學家們發現，這個簡單的模型根本無法解釋植物中為何會出現穩定的液體流動。

事實上，在此之前，工程師們曾試圖設計類似的微流體泵，並製作出了木質部和韌皮部的仿生部件。但在他們設計出來的系統中，物質的輸送只能維持短短的幾分鐘。

而現在，霍索教授的學生康姆泰特找出了樹木泵送系統中，韌皮部和木質部之外的第三塊重要的拼圖：葉子，它可以通過光合作用產生糖分。在康姆泰特的最終模型里，就包含了這個額外的糖源，糖分源源不斷地從葉子向植物的韌皮部擴散，從而增大了糖分與水分的濃度梯度，繼而使得整顆樹能夠保持恆定的滲透壓，最終實現水分與營養物質的連續循環。

用糖來奔跑

基於康姆泰特的假設，霍索教授和她的團隊設計了這一款新型「樹葉晶元」，這一微流體泵同時對木質部，韌皮部以及作為糖源的葉子進行了仿生。

為了製造這款微流體晶元，研究人員將兩塊塑料片夾在一起，並在載玻片上鑽出小通道，用以代表木質部的導管和韌皮部的篩管。隨後，他們用水填充導管，用糖水填充篩管，然後用半透性材料隔開了兩個載玻片，用以模擬木質部和韌皮部之間的半透膜。

接下來，在模擬韌皮部的載玻片上放置了另一個膜，並且在頂部放了一塊糖塊，用以代表從樹葉擴散到韌皮部中的額外糖源。最後，他們把整套裝置掛放在一根管子上，使得水能夠從水箱流入微流體晶元中。

通過這樣的簡單設計，使得這套系統能夠以恆定的流速從罐子抽取水分，經由晶元，再泵送到燒杯中，整個過程無需外加能源。此外系統可以持續工作數日之久，這相較於之前的區區幾分鐘，無疑是巨大的進步。

霍索表示：「我們一把這個糖源加上之後，這個微流體泵就能以穩定的狀態，連續運行好幾天。這正是我們想要的。我們一直想要設計一個可以植入微型機器人的設備。」

霍索還設想，這種擬樹微流體泵可以內置於小型機器人中，產生液壓驅動力，進而直接驅動機器人運動，這樣就不需要配備有源泵或者其他部件。她表示，如果能對機器人進行巧妙地設計，以後絕對可以在機器人身上貼上一塊方糖，它就會自己動起來了。

相關論文的第一作者是畢業於麻省理工學院機械工程系的研究生簡·康姆泰特（Jean Comtet），其他共同作者還包括：來自丹麥技術大學的卡瑞· 簡森（Karre Jensen），以及康奈爾大學的羅伯特·特簡（Robert Turgeon）和亞巴拉罕·斯特洛克（Abraham Stroock）。

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