211service.com
En anden slags træflis
oscar botlon grøn
En mikrofluidisk enhed designet af ingeniører ved MIT, Cornell og Danmarks Tekniske Universitet kunne tjene som en enkel, billig hydraulisk aktuator til små robotter.
For små systemer er det ofte dyrt at fremstille små bevægelige stykker, siger professor i maskinteknik Anette Peko Hosoi. Så vi tænkte: ’Hvad nu hvis vi kunne lave et hydraulisk system i lille skala, der kunne generere store tryk, uden bevægelige dele?’ Og så spurgte vi: ’Er der noget, der gør det her i naturen?’ Det viser sig, at træer gør.
Træer og andre planter trækker vand op fra deres rødder til bladene og pumper sukker produceret af deres blade tilbage til rødderne. Fremdrevet af overfladespænding rejser vand op i et træs kanaler af karvæv kaldet xylem; derefter diffunderer det gennem en semipermeabel membran og ned i kanaler af et andet karvæv, floem, der indeholder sukker og andre næringsstoffer.
Jo mere sukker i floemet, jo mere vand strømmer fra xylemet for at afbalancere koncentrationerne på hver side af membranen, en passiv proces kendt som osmose. Vandstrømmen skyller næringsstoffer ned til rødderne, og denne pumpeproces fortsætter, efterhånden som rødderne trækker mere vand op.
Denne enkle model af xylem og floem har været kendt i årtier, siger Hosoi. Men når du rent faktisk kører tallene, indser du, at denne simple model ikke giver mulighed for et stabilt flow. Faktisk har ingeniører tidligere forsøgt at designe træ-inspirerede mikrofluidpumper, men sådanne design stoppede med at pumpe inden for få minutter.
Som kandidatstuderende i Hosois laboratorium identificerede Jean Comtet, SM '15, en tredje væsentlig del af et træs pumpesystem: dets blade, som producerer sukker gennem fotosyntese. Comtet antog, at sukkerarterne, der diffunderer fra bladene ind i en plantes floem, øger koncentrationen af sukker der, hvilket skaber et konstant osmotisk tryk, der tillader vand og næringsstoffer at cirkulere kontinuerligt.
For at skabe en pumpe, der efterligner hele systemet, lagde Hosois team to plastikglas sammen, hvorigennem de borede små kanaler for at repræsentere xylem og floem. De fyldte xylemkanalen med vand og floemkanalen med vand og sukker, og adskilte de to objektglas med et semipermeabelt materiale. De placerede en anden membran over floemglasset og satte en sukkerterning ovenpå for at kopiere sukkeret fra et træs blade. Da de fastgjorde chippen til et rør, der førte til en vandtank, pumpede vandet passivt gennem chippen og ud i et bæger med konstant hastighed i flere dage.
Så snart vi satte denne sukkerkilde i, havde vi den kørende i dagevis i en stabil tilstand, siger Hosoi. Hvis du designer din robot på en smart måde, kan du absolut stikke en sukkerbit på den og lade den gå.