爱“吃糖”的机器人

严毅梅

糖与植物的“水循环”

从高耸的红木到低矮的小雏菊，这些大自然中的植物无需外部动力，就能源源不断地将水分从植物根部输送到树叶顶端，并将叶子产生的糖分再输送回根部。这种稳定的内部运输是靠植物木质部的导管与韧皮部的筛管来实现的。

水分在表面张力的驱动下，沿树木木质部的导管向上移动，然后在渗透压的驱动下通过一层半透膜，进入韧皮部含有糖和其他有机物的筛管。随着糖分越来越多，在渗透压的作用下，更多的水分会从木质部自发地扩散到韧皮部。最终，产生的水流会将糖分等有机物“冲刷”到根部。这样，根部也产生了渗透压，会从土壤中吸入更多的水，并通过导管向上传输。

树木内部这套简单的“水循环”传输模式，其实早在数十年前就被科学家发现了。尽管原理非常容易理解，但在模拟时，科学家发现，这套模式无法解释植物为何能持续不断地输送水分和养分。科学家和工程师制造的类似原理的仿生作品也只能工作几分钟。

现在，研究人员找到了这套输送系统中韧皮部和木质部之外的第三个重要物质：叶子。叶子可以通过光合作用产生糖分。糖分源源不断地从叶子向植物的韧皮部扩散，从而增大了糖分与水分的浓度梯度，继而使得整棵树能够保持恒定的渗透压，最终实现水分与营养物质的连续循环。

用糖来驱动机器人

过去，工程师们只能使用微型液压系统驱动小型机器人完成复杂的运动，但这样的系统不仅制作难度大，而且成本高。美国麻省理工学院的研究人员研发出一款新型水泵，或许会改变这一现状，让未来的小型机器人仅靠“吃糖”就能获得动力。

研究人员设计的是一款新型“树叶芯片”。他们将两块塑料片夹在一起，并在载玻片上钻出小通道，用以代表木质部的导管和韧皮部的筛管。随后，他们用水填充导管，用糖水填充筛管，然后用半透膜材料隔开两个载玻片，用以模拟木质部和韧皮部之间的半透膜。接下来，在模拟韧皮部的载玻片上放置了另一个膜，并且在顶部放了一块糖块，用以代表从树叶扩散到韧皮部的額外糖源。最后，他们把整套装置挂放在一根管子上，使得水能够从水箱流入微流体芯片中。通过这样的简单设计，这套系统能够以恒定的流速从水箱中抽取水分，经由芯片再送到烧杯中，整个过程无需外加能源。

这个系统可以持续工作数日，较之前的区区几分钟，无疑是巨大的进步。研究人员表示：“这种拟树微流体泵可以内置于小型机器人中，产生液压驱动力，进而直接驱动机器人运动，而不需要配备源泵或者其他部件。”

未来，也许在机器人身上贴上一块方糖，它就会自己动起来。

（资料来源：《自然植物》杂志）