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Un tipo diferente de viruta de madera
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Un dispositivo de microfluidos diseñado por ingenieros del MIT, Cornell y la Universidad Técnica de Dinamarca podría servir como un actuador hidráulico simple y de bajo costo para pequeños robots.
Para sistemas pequeños, a menudo es costoso fabricar pequeñas piezas móviles, dice la profesora de ingeniería mecánica Anette Peko Hosoi. Entonces pensamos: '¿Qué pasaría si pudiéramos hacer un sistema hidráulico a pequeña escala que pudiera generar grandes presiones, sin partes móviles?' Y luego preguntamos: '¿Hay algo que haga esto en la naturaleza?' Resulta que los árboles lo hacen.
Los árboles y otras plantas extraen agua desde sus raíces hasta las hojas y bombean los azúcares producidos por sus hojas de regreso a las raíces. Impulsada por la tensión superficial, el agua sube por los canales de tejido vascular de un árbol llamado xilema; luego se difunde a través de una membrana semipermeable y hacia los canales de otro tejido vascular, el floema, que contiene azúcar y otros nutrientes.
Cuanto más azúcar hay en el floema, más agua fluye desde el xilema para equilibrar las concentraciones a ambos lados de la membrana, un proceso pasivo conocido como ósmosis. El flujo de agua hace que los nutrientes lleguen a las raíces y este proceso de bombeo continúa a medida que las raíces extraen más agua.
Este modelo simple de xilema y floema se conoce desde hace décadas, dice Hosoi. Pero cuando realmente ejecuta los números, se da cuenta de que este modelo simple no permite un flujo constante. De hecho, los ingenieros han intentado anteriormente diseñar bombas de microfluidos inspiradas en árboles, pero tales diseños dejaron de bombear en cuestión de minutos.
Como estudiante de posgrado en el laboratorio de Hosoi, Jean Comtet, SM '15, identificó una tercera parte esencial del sistema de bombeo de un árbol: sus hojas, que producen azúcares a través de la fotosíntesis. Comtet planteó la hipótesis de que los azúcares que se difunden desde las hojas hacia el floema de una planta aumentan la concentración de azúcar allí, creando una presión osmótica constante que permite que el agua y los nutrientes circulen continuamente.
Para crear una bomba que imita todo el sistema, el equipo de Hosoi emparedó 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, separando los dos portaobjetos con un material semipermeable. Colocaron otra membrana sobre el portaobjetos de floema y colocaron un terrón de azúcar encima para replicar el azúcar de las hojas de un árbol. Cuando conectaron el chip a un tubo que conducía a un tanque de agua, el agua se bombeó pasivamente a través del chip y hacia un vaso de precipitados a un ritmo constante durante varios días.
Tan pronto como pusimos esta fuente de azúcar, la tuvimos funcionando durante días en un estado estable, dice Hosoi. Si diseña su robot de una manera inteligente, absolutamente podría pegarle un terrón de azúcar y dejarlo ir.