Inženýři MIT stvořili biologicky inspirovaný strom na čipu  
Když je možné vyrobit plíce na čipu, srdce na čipu nebo i urychlovač částic na čipu, tak proč ne strom? Pasivní mikropumpy z MIT sice strom příliš nepřipomínají, fungují ale velmi podobně. Uplatnit by se mohly třeba při vývoji mikrorobotů.

 

Strom na čipu. Kredit: MIT.
Strom na čipu. Kredit: MIT.

Stromy, a také ostatní rostliny, ať už mohutné nebo drobné, jsou vlastně přírodní hydraulické pumpy. Obvykle fungují tak, že pumpují vodu z kořenů až do konečků nejvzdálenějších listů, a opačným směrem zase vedou cukry vyrobené v listech fotosyntézou. Toto nepřetržité proudění kapalin mají na starost vodivá pletiva xylému a floému. Osvědčené rostlinné pumpy pracují už stovky milionů let.

 

Jean Comtet. Kredit: J. Comtet.
Jean Comtet. Kredit: J. Comtet.

Inženýři MIT a jejich spolupracovníci se rostlinami inspirovali a postavili umělý „strom na čipu“ (anglicky tree-on-a-chip). Výsledky jejich výzkumu nedávno publikoval časopis Nature Plants. Je to mikrokapalinové zařízení, které napodobuje mechanismus pumpování pletiv rostlin. Tak jako jejich přírodní vzory, i strom na čipu pracuje pasivně. Nepotřebuje žádné pohyblivé součásti ani externí pumpy. Nové zařízení je schopné pumpovat vodu a rozpuštěné cukry setrvalou rychlostí celé dny.


K čemu je dobré mít strom na čipu? Spoluautorka studie Anette "Peko" Hosoi prohlásila, že vytvořený systém pasivních pump stromu na čipu by mohl posloužit třeba jako jednoduchý hydraulický pohon pro mikroroboty. Předchozí zkušenosti totiž ukazují, že vyvinout malé součástky a pumpy pro pohybové systémy malých robotů bývá dost složité a drahé. Technologie stromu na čipu z MIT by mohla vést k vzniku robotů s novou generací pohybových systémů, které budou tvořit laciné pumpy na vodu s cukrem.

 

Anette Hosoi. Kredit: HMC Math.
Anette Hosoi. Kredit: HMC Math.

Cílem výzkumu bylo podle Hosoi vybudovat jednoduché a zároveň funkční komplexy, podobně jako jsou v přírodě. Když si strom chce udělat nové listy a připojit je na své pasivní pumpy, tak to jde úplně jednoduše. U malých robotů je ale obvykle všechno hrozně komplikované. Bylo by skvělé mít k dispozici podobné stavební moduly, jaké tvoří tělo rostlin, a z nich vytvářet malé robotické konstrukce. Hosoi věří, že jejich strom na čipu je správným krokem tímto směrem.

 

Strom, přírodní verze. Kredit: eschipul / Wikimedia Commons.
Strom, přírodní verze. Kredit: eschipul / Wikimedia Commons.

Vedoucí studie Jean Comtet a jeho kolegové analyzovali fungování xylému s floémem u rostlin a zjistili, že provoz přírodních pump do značné míry závisí na listech, které fotosyntézou produkují cukry. Proto se rozhodli postavit strom na čipu, který bude mít svůj xylém, floém i listy. Postupovali tak, že vzali dva plátky plastu, v nichž vytvořili malé kanálky, představující xylém s floémem. Xylémový kanálek naplnili vodou, floémový zase vodou s rozpuštěným cukrem. Stejně jako u rostlin. Pak plátky oddělili polopropustným materiálem, který napodobuje polopropustnou membránu mezi rostlinným xylémem a floémem. Na floémový plátek připojili další membránu s kostkou cukru, která představuje zdroj cukrů, u skutečných rostlin zajišťovaných v listech fotosyntézou. Takto vytvořený čip připojili na nádrž s vodou.


Strom na čipu z MIT není nijak zvlášť složitý. Přesto dovede pasivně pumpovat vodu z nádrže, skrz čip, a pak do nádobky, konstantní rychlostí po několik dní. Podobná zařízení až doposud zvládla sotva pár minut. Je to tedy dramatické zlepšení. Klíčové bylo přidání zdroje cukru, který napodobuje přítok cukru z fotosyntetizujících listů. Dočkáme se teď mikrorobotů, kteří budou pracovat za kostku cukru?

Video:  Anette Hosoi: From Razor Clams to Robots


Literatura
MIT 20. 3. 2017, Nature Plants 3: 17032.

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 23.03.2017
Tisk článku

Karel IV. Pán světa - Ležák Zdeněk
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 339 Kč
Karel IV. Pán světa
Ležák Zdeněk
Související články:

Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva     Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2014)
Kvantová mechanika s fotosyntézou přinesou skvělé solární články     Autor: Stanislav Mihulka (03.12.2016)



Diskuze:

Zpět na stromy (i s chipem)

Josef Hrncirik,2017-04-01 20:31:40

10.1038/nplants.201732 (zdarma pouze z proruského Scihub) odhaluje smutnou pravdu.
Chip má zastavěný objem cca 200 ml a protože cukry jim osmotickými membránami procházely, museli použít 30x méně účinný dextran 6000 Da.
Průtok startuje s poločasem cca 2 hod s dosahuje až 15 nl/s do protitlaku až 0,5 MPa, tj. hydraulický výkon je max. cca 8 uW.
Stejně je to jedno, protože nanoroboti ev. tlakový rozdíl nedokáží využít, neb nemají pohyblivých částí a jsou jen pasivně driftováni neznámo kam a proč.
Píší, že částečným průnikem cukru do kapilár xylému se jim ucpávala membrána ze strany vody a časem klesal průtok.
Zásobník dextranu měl cca 10 ml a tak to mohlo vykonat max. hydraulickou práci až cca 5 J, tj. 1 tužková baterie by stačila dodat cca 2000x větší energii do svého vybití.
Jejich model proudění xylémem a floémem uvažoval osmotický tlak, difúzní a hydraulické odpory.
Neuvažoval však ev. nedokonalou separaci na membráně a rozdíly hustot.
Hydrostatický tlak ze stoupání v xylému se kompenzuje tlakem z klesání ve floému a výška stromu omezuje pouze rychlost, ne však max. výšku dostupu.
Pokud jsou kapiláry nahoře propojeny (uzavřeny) není důvod pro kapilární tlak.
Ten by však sál, i pokud by odpar šel přes "kompakní" zbotnanou stěnu a když iniciace bublinky vyžaduje značný podtlak.

Odpovědět

výše cca 220 m nad kořeny, tj. i do koruny nejvyšších sekvojí i s dobrou rezervou tlaku, aby šampus měl říz a nebyl pouze nasycen. Nevykvašená sacharóza by osmoticky dorazila pouze cca 140 m vysoko

Josef Hrncirik,2017-03-26 21:55:46

Odpovědět


Seriovým zapojením čerpadla osmotického a MAMUTKOVÉHO můžeme napájet žíznivé boty pracojící až v nadkořenové výšce cca 360 m, při po(u)žívání škrobového sirobu budou robotovat i v 480 m.n.k..

Josef Hrncirik,2017-03-27 08:06:43

Odpovědět


Omluvte prosím hantes

Josef Hrncirik,2017-03-27 08:09:10

Odpovědět

Chips byly z biopotatoes

Josef Hrncirik,2017-03-24 18:26:24

Odpovědět


Z biodegradable PLA

Josef Hrncirik,2017-03-24 18:27:59

Odpovědět

Kolik % lihu má proud kvasu stále prýštící z rajského stromu poznání? Má to také zdravou zelenou barvu? Při jaké teplotě to tuhne? Kolik se toho dá dát na ex?

Josef Hrncirik,2017-03-24 14:16:18

Odpovědět


Bude to schopno zásobovat šampusem roboty pracující ve 101. patře (osmotickým tlakem cca 3 MPa), pokud použijí glukózu. Při použití sacharózy uspokojí roboty jen do 51. patra

Josef Hrncirik,2017-03-25 15:38:34

Z úsporných důvodů však budou napájet jen lidi do 77. patra mořskou vodou samovolně vytlačovanou nachytanou destilovanou vodou, pronikající přes Nafionovou osmotickou membránu.
Lidé ji však budou muset stáčet doma, aby se ušetřilo na stočném vod.
Robotům prý mořská voda nechutná a koroduje jim boty i chipy a dokáže je zkratovat.
Hlavně by ji však nestáčeli za své.

Odpovědět


Zdá se, že zatím ještě nedorazili ke stránce kapilární síly. Odpařování vody z nánokapilár by mohlo hravě hnát vysokotlaké turbíny, aniž by si museli půjčovat na cukr, stačilo by půjčit si jen na vodu.

Josef Hrncirik,2017-03-25 17:57:32

Odpovědět


Nicméně kvašením klasického až 20% hm. cukru obsahujícího moštu vznikne šampus, který hnán vlastním tlakem při kvašení vznikajícího CO2, který se bude v bublinkách uvolňovat a stoupající bublinky budou nektar tlačit mezi sebou jak v pumpě MAMUTCE až do v

Josef Hrncirik,2017-03-26 21:48:38

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni