树木和其他植物，从高耸的红杉到小雏菊，都是大自然的液压泵。他们持续不断地将水分从它们的根部输送到最高的叶子上，又将叶子产生的糖分运送回根部。这些源源不断的养分是通过一个叫做木质部和韧皮部的系统完成输送的。
麻省理工学院的工程师们和他们的合作者设计了一种叫做“植物芯片”的微流装置，模仿树和其他植物的泵送机理。像其自然对应物一样，芯片被动工作，无需移动部件或外部泵。它可连续数日通过芯片以固定的流量运送水分和糖分。
麻省理工学院机械工程学院教授和副系主任Anette "Peko" Hosoi表示，芯片的被动泵可作为杠杆，为小机器人做一个简易的液压制动器。工程师们发现，要想让微小的活动部件和泵为小机器人的复杂运动提供动力，非常困难且昂贵。
Hosoi表示：“很容易将树叶或者木质部通道添加到一颗树里。”在小机器人的构造里，从制造，集成到驱动，一切都不简单。如果我们能够使构造更廉价，这将是超级令人兴奋的事情。我认为这些微流体泵是朝这个方向迈出了一步。
与Hosoi一起作此论文的作者包括：麻省理工学院机械工程学院毕业的学生——第一作者Jean Comtet；丹麦科技大学的Kaare Jensen；康奈尔大学的Robert Turgeon和Abraham Stroock。
液压升降机
此团队由树得到启发的工作主要来源于液压机器人项目，由泵送流体提供动力。Hosoid的兴趣在于小规模设计液压机器人，执行类似更大机器人的行为，例如波士顿动力狗——一只四条腿，Saint Bernard大小的机器人，它由液压驱动，能够在崎岖的地形跑跳。
Hosoi表示：“对于小系统来说，制造微小的移动部件通常十分昂贵，因此我们想，如果我们可以做一个小型的液压系统，在不移动部件的情况下产生巨大压力呢？于是我们问，大自然中有什么可完成此任务吗？事实证明，树木可以。”
生物学家的普遍理解是，水分由表面张力驱动，沿树的木质部通道一直向上，透过半透膜，进入含有糖和其他营养物质的韧皮部通道。
韧皮部的糖分越多，从木质部到韧皮部的水流量就越大，以实现糖水梯度平衡，这个被动的过程叫做渗透。由此产生的水流量会将营养物质冲刷到根部。当更多水分从树木和各种植物的根部抽出时，它们就会保持这种抽水过程。
Hosoi表示：“这种简易木质部和韧皮部模型在几十年前已众所周知。从定性的角度来看，这是有道理的。但是当你考虑到数字时，就会发现这种简易模型并不能保证稳定水流。
实际上，工程师们曾试图设计由树得到启发的微流体泵，制造零件，模仿木质部和韧皮部。但是他们发现，这些设计在几分钟内就很快停止抽水。
是Hosoi的学生Comtet确定了树木的抽水系统中第三个关键因素：叶子，叶子通过光合作用产生糖分。Comtet的模型包括这种糖的补充成分——从叶子扩散到植物的韧皮部，同时增加糖水梯度。反过来，能够使整棵树保持恒定的渗透压，循环水和营养物质。
糖源运行
有了Comtet的假设，Hosoi和她的团队设计了植物芯片，这是一种微流体泵，能够模仿树木的木质部，韧皮部和产糖的叶子。
为制作这一芯片，研究人员将两个塑料滑梯放在一起，在其中钻小通道分别代表木质部和韧皮部。他们在木质部通道注满水，在韧皮部通道注满水和糖，然后用半透明材料将两个滑梯分开以模仿木质部和韧皮部之间的膜。他们将另一片膜放在含韧皮部通道的滑梯上面，在顶端放一块方糖代表从树叶扩散到韧皮部的糖的补充养分。他们把芯片挂在一根管子上，把水从水箱送入芯片。
有了这个简单的设置，芯片能够被动地从水箱里抽水，通过芯片进入烧杯，连续几天保持稳定的流量，而在此之前的设计只能抽水几分钟。
Hosoi表示：“一旦我们把这个糖源放进去，我们就可在稳定状态下保持好几天。这正是我们想要的，我们需要一个可放进机器人的装置。
Hosoi设想，“植物芯片”微流体泵或可植入小型机器人，在不需要主动泵或部件的情况下，产生液压驱动的运动。
Hosoi表示：“如果你用的方式设计机器人，你完全可以在上面放一块方糖，随它发展。”
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来源：战略前沿技术