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.

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.

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.

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.

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