Những kỹ sư thiết kế ‘Cây trên vi mạch’: thiết bị dẫn vi mạch sinh ra năng lượng nước

Cây và các loài thực vật khác từ rừng sâu đến các loài hoa dại đều lấy nguồn nước từ tự nhiên. Chúng bơm nước từ rễ đi nuôi lá và lấy đường từ lá sản sinh ra chuyển về rễ. Dòng chảy các chất dinh dưỡng truyền xuống thông qua hệ thống mô được gọi là libe và mạch gỗ, được bao bọc với nhau trong các ống dẫn song song nhau.

Ngày nay, các kỹ sư tại MIT và đồng sự của họ đã thiết kế thiết bị kênh dẫn vi mạch gọi là ‘Cây trên vi mạch’ mô phỏng quá trình bơm nước, chất dinh dưỡng của cây và thực vật. Giống với bản sao tự nhiên, vi mạch hoạt động một cách thụ động, không có những bộ phận di chuyển hoặc bơm từ bên ngoài. Nó có thể bơm nước và đường thông qua vi mạch với tốc độ chảy ổn định trong vài ngày. Kết quả được đăng tải trên tạp chí Thực vật tự nhiên trong tuần này.

Anette “Peko” Hosoi, tiến sĩ và cũng là trưởng khoa Kỹ sư cơ khí tại đại học MIT cho biết sẽ tạo ra những con chíp bơm nước cho những rô-bốt cỡ nhỏ. Kỹ sư trong nhóm có thể giúp rô-bốt chuyển động nhờ vào máy bơm giá rẻ và hoạt động chuyển hóa đường.

‘Mục đích của công việc này là làm đơn giản hóa và chế tạo tương tự hệ thống tự nhiên’ Hosoi cho biết. ‘Nó dễ dàng thêm lá và thanh gỗ của cây. Trong thiết bị siêu nhỏ này, mọi việc trở nên phức tạp từ việc sản xuất, tương tác, và thúc đẩy. Nếu chúng ta có thể xây dựng những tòa nhà rẻ và đơn giản hóa điều này rất thú vị. Tôi nghĩ những chiếc máy bơm là bước tiến trong hướng đi đó’

Đồng tác giả của Hosoi trên sách là tác giả Jean Comtet, cựu sinh viên cao học tại MIT chuyên ngành Kỹ sư cơ khí, Kaare Jensen thuộc trường đại học kỹ thuật Đan Mạch và Robert Turgeon và Abraham Stroock cả hai học tại đại học Cornell.

Xi lanh bơm nước.

Nhóm phát triển cây – công việc truyền cảm ứng phát triển vượt ra khỏi phạm vi dự án về việc sản xuất rô bốt cung cấp nước bởi những chiếc máy bơm nước.  Hosoi đã rất hứng thú với việc thiết kế những con rô-bốt bơm nước với kích thước nhỏ, nó hoạt động hệt như những con rô bốt loại lớn như Big Dog của Boston Dynamic, 4 chân, loài Saint Bernard- kích thước rô bốt hoạt động và thích ứng địa hình, hoạt động nhờ vào bơm nước.

‘Đối với các hệ thống nhỏ, nó thường đắt đỏ để sản xuất những mảnh ghép nhỏ’ Hosoi cho biết. ‘Nên chúng tôi nghĩ rằng điều gì xảy ra nếu chúng ta làm một hệ thống nước kích thước nhỏ có thể tích hợp và hoạt động với công xuất lớn mà không di chuyển bất kì bộ phận nào?’ Và sau đó chúng tôi đã hỏi ‘Có bất kì thứ gì làm điều này trong tự nhiên chứ? Những cái cây đã làm nên điều đó’.

Hiểu một cách nôm na giữa những nhà sinh vật học cho rằng sức đẩy của nước hình thành bởi sức ép bề mặt lên những mạch gỗ của cây, sau đó khuếch tán thông qua việc thẩm thấu của màng thực vật và xuống mạch của Libe chứa đường và các chất dinh dưỡng khác.

Có nhiều đường hơn trong Phibe, nhiều nước hơn từ mạch gỗ đến Phibe để cân bằng lượng đường trong nước, quá trình thụ động này được biết với tên osmosis. Kết quả nước chảy đưa dinh dưỡng xuống rễ. Những cái cây và thực vật duy trì quá trình bơm nước từ rễ.

‘Mô hình đơn giản này của mạch gỗ và Phibe được biết đến qua hàng thập kỷ nay’ Hosoi cho biết. ‘Từ quan điểm khách quan, điều này thực sự có ý nghĩa. Nhưng khi bạn thực sự chạy theo các số liệu, bạn làm mô hình đơn giản này không còn dòng chảy đều đặn’

Thực tế, những kỹ sư trước đây đã cố gắng thiết kế những chiếc máy bơm nước cho cây, những bộ phận được mô phỏng dựa trên mạch gỗ và Libe. Tuy nhiên họ nhận thấy rằng những mô hình nhanh chóng dừng lại sau vài phút hoạt động.

Comtet là sinh viên của Hosoi – người xác định bộ phận quan trọng thứ 3 trong hệ thống bơm nước cho cây: lá cây sản sinh ra đường thông qua sự quang hợp. Mô hình của Comtet bao gồm đường chuyển hóa từ lá đến Libe của cây, tăng cường lượng đường trong nước, nó duy trì áp lực nước, chất dinh dưỡng vận chuyển xuyên suốt cây.

Đường chảy trong mạch cây

Với lý thuyết của Comtet, Hosoi và nhóm của cô đã thiết kế cây trên vi mạch, một cái máy bơm nước cực nhỏ mô phỏng mạch gỗ của cây, Libe, và quan trọng nhất là những chiếc lá sản sinh ra đường.

Để tạo nên con chip, những nhà nghiên cứu kẹp chúng với nhau thành 2 lớp nhựa trong qua đó họ luồng những nhánh mạch gỗ và Libe.

Chúng lấp đầy mạch gỗ và Libe với nước và đường, sau đó tách 2 đường ống dẫn với vật chất bán thẩm thấu mô phỏng màng tế bào giữa mạch gỗ và Libe. Chúng sắp xếp màng tế bào khác trên những khe chứa Libe và đường từ lá cây chuyển đến mạch gỗ. Họ gắn vi mạch vào trong ống, dẫn nước từ bể đến con chip.

Với cách cài đặt đơn giản, con chip có thể bơm nước thụ động từ hồ thông qua con chíp và đi ra vại với tốc độ ổn định trong vài ngày, đối lập với những thiết kế trước chỉ bơm trong vài phút.

‘Nhanh nhất có thể chúng ta cho đường vào máy, chúng ta cho nó hoạt động từ ngày này sang ngày khác với tốc độ không đổi’ Hosoi cho biết. ‘Đó là chính xác những gì chúng ta cần. Chúng ta muốn thiết bị có thể thực sự đặt trong rô bốt’

Hosoi tưởng tượng rằng máy bơm cây trên vi mạch có thể được thiết kế và sản xuất thành một con rô-bốt nhỏ với sự chuyển động bằng sức ép của  nước mà không yêu cầu bơm chủ động.

‘Nếu bạn thiết kế nên con rô-bốt bằng cách thông minh, bạn có thể hoàn toàn chuyển hóa đường và hãy thực hiện nào’ Hosoi nói.