Los árboles y otras plantas, desde las altas secuoyas hasta las diminutas margaritas, son las bombas hidráulicas de la naturaleza. Constantemente extraen el agua desde sus raíces hasta las hojas superiores y bombean los azúcares producidos por sus hojas hacia las raíces. Esta corriente constante delos nutrientes se transportan a través de un sistema de tejidos llamados xilema y floema, que se agrupan en conductos leñosos y paralelos.
Ahora los ingenieros del MIT y sus colaboradores han diseñado un dispositivo microfluídico que denominan "árbol en un chip", que imita el mecanismo de bombeo de árboles y plantas. Al igual que sus contrapartes naturales, el chip funciona de forma pasiva y no requiere movimientopartes o bombas externas. Es capaz de bombear agua y azúcares a través del chip a un flujo constante durante varios días. Los resultados se publican esta semana en Plantas naturales .
Anette "Peko" Hosoi, profesora y jefa de departamento asociada para operaciones en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que el bombeo pasivo del chip puede aprovecharse como un simple actuador hidráulico para robots pequeños. Los ingenieros han encontrado que es difícil y costoso hacer pequeños,piezas móviles y bombas para impulsar movimientos complejos en robots pequeños. El nuevo mecanismo de bombeo del equipo puede habilitar robots cuyos movimientos son impulsados por bombas económicas de propulsión a azúcar.
"El objetivo de este trabajo es la complejidad barata, como se ve en la naturaleza", dice Hosoi. "Es fácil agregar otra hoja o canal de xilema en un árbol. En la robótica pequeña, todo es difícil, desde la fabricación hasta la integración,a la actuación. Si pudiéramos crear los bloques de construcción que permitan una complejidad barata, sería muy emocionante. Creo que estas [bombas microfluídicas] son un paso en esa dirección ".
Los coautores de Hosoi en el artículo son el autor principal Jean Comtet, un ex alumno de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; Kaare Jensen de la Universidad Técnica de Dinamarca; y Robert Turgeon y Abraham Stroock, ambos de la Universidad de Cornell.
un elevador hidráulico
El trabajo inspirado en el árbol del grupo surgió de un proyecto sobre robots hidráulicos accionados por bombeo de fluidos. Hosoi estaba interesado en diseñar robots hidráulicos a pequeña escala, que pudieran realizar acciones similares a robots mucho más grandes como el Big Dog de Boston Dynamic, un cuatrorobot de tamaño San Bernardo que corre y salta sobre terreno accidentado, impulsado por actuadores hidráulicos.
"Para sistemas pequeños, a menudo es costoso fabricar piezas móviles pequeñas", dice Hosoi. "Entonces pensamos, '¿Qué pasaría si pudiéramos hacer un sistema hidráulico a pequeña escala que pudiera generar grandes presiones, sin partes móviles?' Yluego preguntamos: '¿Algo hace esto en la naturaleza?' Resulta que los árboles lo hacen "
La comprensión general entre los biólogos ha sido que el agua, impulsada por la tensión superficial, viaja por los canales de xilema de un árbol, luego se difunde a través de una membrana semipermeable y baja hacia canales de floema que contienen azúcar y otros nutrientes.
Cuanto más azúcar hay en el floema, más agua fluye de xilema a floema para equilibrar el gradiente de azúcar a agua, en un proceso pasivo conocido como ósmosis. El flujo de agua resultante arroja nutrientes a las raíces. Árbolesy se cree que las plantas mantienen este proceso de bombeo a medida que se extrae más agua de sus raíces.
"Este modelo simple de xilema y floema ha sido conocido durante décadas", dice Hosoi. "Desde un punto de vista cualitativo, esto tiene sentido. Pero cuando realmente ejecuta los números, se da cuenta de que este modelo simple no permitepara flujo constante "
De hecho, los ingenieros han intentado previamente diseñar bombas microfluídicas inspiradas en árboles, fabricando piezas que imiten el xilema y el floema. Pero descubrieron que estos diseños dejaron de bombear rápidamente en cuestión de minutos.
Fue el alumno de Hosoi, Comtet, quien identificó una tercera parte esencial del sistema de bombeo de un árbol: sus hojas, que producen azúcares a través de la fotosíntesis. El modelo de Comtet incluye esta fuente adicional de azúcares que se difunde desde las hojas al floema de una planta, aumentando el azúcar.gradiente al agua, que a su vez mantiene una presión osmótica constante, circulando agua y nutrientes continuamente a través de un árbol.
corriendo con azúcar
Con la hipótesis de Comtet en mente, Hosoi y su equipo diseñaron su árbol en un chip, una bomba microfluídica que imita el xilema, el floema de un árbol y, lo más importante, sus hojas productoras de azúcar.
Para hacer el chip, los investigadores juntaron dos portaobjetos de plástico, a través de los cuales perforaron pequeños canales para representar el xilema y el floema. Llenaron el canal del xilema con agua y el canal del floema con agua y azúcar, luego separaron los dos portaobjetos conun material semipermeable para imitar la membrana entre el xilema y el floema. Colocaron otra membrana sobre el portaobjetos que contiene el canal del floema y colocaron un cubo de azúcar en la parte superior para representar la fuente adicional de azúcar que se difunde desde las hojas de un árbol al floema.astilla hasta un tubo, que alimenta el agua de un tanque al chip.
Con esta configuración simple, el chip fue capaz de bombear pasivamente agua desde el tanque a través del chip y hacia un vaso de precipitados, a un caudal constante durante varios días, a diferencia de los diseños anteriores que solo bombeaban durante varios minutos.
"Tan pronto como pusimos esta fuente de azúcar, la tuvimos funcionando durante días en un estado estable", dice Hosoi. "Eso es exactamente lo que necesitamos. Queremos un dispositivo que podamos poner en un robot".
Hosoi imagina que la bomba de árbol en un chip puede integrarse en un pequeño robot para producir movimientos accionados hidráulicamente, sin necesidad de bombas o piezas activas.
"Si diseñas tu robot de manera inteligente, podrías pegarle un terrón de azúcar y dejarlo ir", dice Hosoi.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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