Ağaçlar ve büyük küçük tüm bitkiler, doğanın hidrolik pompalarıdır. Sürekli olarak köklerinden en üstteki yapraklara kadar su çekiyorlar ve yaprakları tarafından üretilen şekerleri, kök salmaya pompalıyorlar. Bu sürekli besleyici akışı; odunsu, paralel kanallar halinde bir araya getirilen xylem ve floem denilen bir doku sistemi vasıtasıyla yapılıyor.
Bundan esinlenen MIT mühendisleri ağaçların ve bitkilerin pompalama mekanizmasını taklit eden bir “mikroişlemci ağacı” adı verilen, mikroakışkan cihaz tasarladı. Doğal muadilleri gibi, çip pasif çalışıyor, hareketli parçalar ya da harici pompalar gerektirmiyor. Su ve şekerleri birkaç gün; sürekli bir akış oranında çip yoluyla pompalayabilir hale getirdiler. Bu çalışmanın sonuçları, Nature Plants’de yayınlandı.
MIT Makina Mühendisliği Bölümü‘ndeki operasyonlar için Profesör ve Bölüm Başkanı Yardımcısı Anette “Peko” Hosoi, çipin pasif pompalamasının küçük robotlar için, basit bir hidrolik aktüatör olarak kaldırabileceğini söylüyor. Mühendisler, küçük robotlarda karmaşık hareketleri engellemek için küçük, hareketli parçalar ve pompalar yapmayı zor ve pahalı buldu. Ekibin yeni pompalama mekanizması, hareketleri ucuz, şekerle çalışan pompalar tarafından yönlendirilen robotları mümkün kılabilir.
Hosoi, “Doğada görülen her şey kolay bulunur ancak; karmaşıktır. Bir ağaca başka bir yaprak veya xylem kanalı eklemek kolaydır, küçük robotiklerde de üretimden entegrasyona ve harekete geçirmeye kadar her şey zordu. Bunun başarılması, Mikroakışkan Pompalar’ın bu yönde bir adım oluşturmasını sağlayacak. ”
*Mühendisler ağaçların ve diğer bitkilerin pompalama mekanizmasını taklit eden “çip üzerinde ağaç” diye adlandırdıkları mikroakışkan bir cihaz tasarladılar. Massachusetts Institute of Technology
Grubun ağaç ilhamlı çalışmaları, sıvı pompalamayla güçlendirilen hidrolik robotlar üzerine yapılan bir projeden çıktı. Hosoi, küçük ölçekte hidrolik robotlar tasarlamakla ilgileniyordu; bu, Boston Dynamic’in Big Dog’ı gibi; (yani engebeli arazide çalışan ve atlayan, Saint-Bernard büyüklüğünde, hidrolik aktüvatörler tarafından desteklenen) daha büyük robotlara benzer eylemler gerçekleştirebilirdi.
Hosoi, “Küçük sistemler için, küçük hareketli parçalar üretmek genellikle pahalı. ‘Eğer hareketli parçalar olmadan, büyük basınçlar üretebilecek, küçük ölçekli bir hidrolik sistem yapabilirsek ne olurdu?’ ve sonra ‘Doğada bunu yapan bir şey var mı?’ diye sorduk. Doğaya baktığımızda; bunu bitkilerin yaptığı anlaşılıyordu. ”
Biyologlar arasındaki genel anlayış, yüzey gerilimi tarafından yönlendirilen suyun, ağaçların xylem kanallarına kadar ilerlediği, daha sonra yarı geçirgen bir zardan geçerek, şeker ve diğer besin maddelerini içeren ‘Phloem Kanalları’na dağılması olmuştur.
Phloem’de şeker ne kadar fazla olursa, ozmoz olarak bilinen pasif bir süreçte, şeker suyunun değişimini dengelemek için xylem ‘den yüzeye daha fazla su akar. Ortaya çıkan su akışı, besin maddelerini köklere götürür. Ağaçların ve bitkilerin köklerinden daha fazla su üretildiği için bu pompalama sürecini sürdürdüğü düşünülmektedir.
Hosoi, “Bu basit xylem ve phloem modeli, onlarca yıldır iyi biliniyor. Kalitatif bir bakış açısıyla mantıklıdır, ancak sayıları gerçekte çalıştırdığınızda, bu basit modelin sürekli akışa izin vermediğinin farkına varıyorsunuz.”
Aslında, mühendisler daha önce ağaca ilham veren mikro akışkan pompalar dizayn etmeye çalışıyorlar, bu da xylem ve havayı taklit eden parçalar üretiyorlardı. Fakat bu tasarımlarda,onların birkaç dakika içinde çabucak pompalamayı bıraktıklarını fark ettiler.
Hosoi’nin öğrencisi Comtet, bir ağacın pompalama sisteminde üçüncü önemli bir bölüm belirledi: Fotosentez Yoluyla Şeker Üreten Yapraklar.
Comtet’in modeli, yapraklardan bir bitki örtüsüne dağılmış şekerlerin bu ilave kaynağını içerir; şeker-su gradyanını arttırır ve bu da sürekli bir ozmotik basıncı korur, su ve besin maddelerini sürekli bir ağaç boyunca dolaştırır.
Comtet’in Hipotezi göz önüne alındığında, Hosoi ve Ekibi, ağacın xylemi ve en önemlisi şeker üreten yapraklarını taklit eden bir mikroakışkan pompa tasarladı.
Çipi yapmak için, araştırmacılar iki plastik slaydı birbirine bağladılar ve bunlar aracılığıyla xylem ve filoyu temsil etmek için küçük kanallar açtılar. Xylem kanalını suyla; floem kanalını su ve şekerle doldurdular, daha sonra iki kaymayı, xylem ve floem arasındaki zarı taklit etmek için yarı geçirgen bir malzeme ile ayırdılar. Floem kanalı içeren slaydın üzerine bir başka zar yerleştirdiler ve bir ağacın yapraklarından havaya yayılmış ek şeker kaynağını taklit ederek, üst üste bir şeker küpü yerleştirdiler. Çipi, suyun içinde olan bir tüpe bağladılar.
Bu basit kurulum ile çip, birkaç dakikada pompalanan önceki tasarımların tersine; suyun depodan, birkaç gün boyunca sabit bir akış oranında bir behere pompalanmasını sağladı.
Hosoi, aktif pompa veya parça gerektirmeden, hidrolik olarak aktifleşen hareketleri üretmek için, çip üzerinde ağaç pompasının küçük bir robot içine yerleştirilebileceğini öngörüyor.
Hosoi, “Robotunuzu akıllı bir şekilde tasarlarsanız, kesinlikle şeker küpü üzerine yapıştırabilir ve bırakabilirsiniz”
