愛“吃糖”的機(jī)器人

嚴(yán)毅梅

糖與植物的“水循環(huán)”

從高聳的紅木到低矮的小雛菊，這些大自然中的植物無需外部動(dòng)力，就能源源不斷地將水分從植物根部輸送到樹葉頂端，并將葉子產(chǎn)生的糖分再輸送回根部。這種穩(wěn)定的內(nèi)部運(yùn)輸是靠植物木質(zhì)部的導(dǎo)管與韌皮部的篩管來實(shí)現(xiàn)的。

水分在表面張力的驅(qū)動(dòng)下，沿樹木木質(zhì)部的導(dǎo)管向上移動(dòng)，然后在滲透壓的驅(qū)動(dòng)下通過一層半透膜，進(jìn)入韌皮部含有糖和其他有機(jī)物的篩管。隨著糖分越來越多，在滲透壓的作用下，更多的水分會(huì)從木質(zhì)部自發(fā)地?cái)U(kuò)散到韌皮部。最終，產(chǎn)生的水流會(huì)將糖分等有機(jī)物“沖刷”到根部。這樣，根部也產(chǎn)生了滲透壓，會(huì)從土壤中吸入更多的水，并通過導(dǎo)管向上傳輸。

樹木內(nèi)部這套簡單的“水循環(huán)”傳輸模式，其實(shí)早在數(shù)十年前就被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了。盡管原理非常容易理解，但在模擬時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這套模式無法解釋植物為何能持續(xù)不斷地輸送水分和養(yǎng)分?？茖W(xué)家和工程師制造的類似原理的仿生作品也只能工作幾分鐘。

現(xiàn)在，研究人員找到了這套輸送系統(tǒng)中韌皮部和木質(zhì)部之外的第三個(gè)重要物質(zhì)：葉子。葉子可以通過光合作用產(chǎn)生糖分。糖分源源不斷地從葉子向植物的韌皮部擴(kuò)散，從而增大了糖分與水分的濃度梯度，繼而使得整棵樹能夠保持恒定的滲透壓，最終實(shí)現(xiàn)水分與營養(yǎng)物質(zhì)的連續(xù)循環(huán)。

用糖來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

過去，工程師們只能使用微型液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小型機(jī)器人完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但這樣的系統(tǒng)不僅制作難度大，而且成本高。美國麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)出一款新型水泵，或許會(huì)改變這一現(xiàn)狀，讓未來的小型機(jī)器人僅靠“吃糖”就能獲得動(dòng)力。

研究人員設(shè)計(jì)的是一款新型“樹葉芯片”。他們將兩塊塑料片夾在一起，并在載玻片上鉆出小通道，用以代表木質(zhì)部的導(dǎo)管和韌皮部的篩管。隨后，他們用水填充導(dǎo)管，用糖水填充篩管，然后用半透膜材料隔開兩個(gè)載玻片，用以模擬木質(zhì)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(gè)膜，并且在頂部放了一塊糖塊，用以代表從樹葉擴(kuò)散到韌皮部的額外糖源。最后，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芯片中。通過這樣的簡單設(shè)計(jì)，這套系統(tǒng)能夠以恒定的流速從水箱中抽取水分，經(jīng)由芯片再送到燒杯中，整個(gè)過程無需外加能源。

這個(gè)系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)日，較之前的區(qū)區(qū)幾分鐘，無疑是巨大的進(jìn)步。研究人員表示：“這種擬樹微流體泵可以內(nèi)置于小型機(jī)器人中，產(chǎn)生液壓驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，而不需要配備源泵或者其他部件。”

未來，也許在機(jī)器人身上貼上一塊方糖，它就會(huì)自己動(dòng)起來。

（資料來源：《自然植物》雜志）