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仿生机器人揭示射线精子的运动模式

人们普遍认为精子通过拍打或旋转它们柔软的尾巴来“游泳”。然而,由香港城市大学(城大)科学家领导的一个研究小组发现,射线精子通过旋转尾部和头部来移动。

该团队进一步研究了运动模式并用机器人进行了演示。他们的研究扩展了对微生物运动的认识,并为机器人工程设计提供了灵感。

该研究由城大生物医学工程系(BME)副教授沉亚静博士和生物医学科学系(BMS)助理教授史家海博士共同领导。他们的研究结果已发表在美国国家科学院院刊 (PNAS)的科学期刊上,题为“通过异构双螺旋实现不同粘度下射线精子的自适应和高效推进”。

他们的研究揭示了一种新的、奇特的射线精子运动模式,他们称之为“异质双螺旋(HDH)模型”。“这实际上是一个偶然的发现,”一直专注于开发不同生物疗法的施博士说。

这一切都始于该团队的另一项研究,即开发人工授精技术,用于养殖软骨鱼类,包括鲨鱼和鳐鱼,它们的骨骼全部或大部分由软骨组成。

软骨鱼可以用作“工厂”来生产针对疾病(包括 COVID-19)的抗体。因此,我们想开发人工授精技术,将它们用于高价值水产养殖。”

生物医学科学系(BMS)助理教授史家海博士

在这个过程中,当他们第一次在显微镜下观察到射线精子的独特结构和游动运动时,他们感到非常惊讶。他们发现,射线精子的头部呈长螺旋结构而不是圆形,并且在游泳时随着尾巴旋转。

该团队进一步研究了其推进机制,尤其是头部在运动中的确切作用。他们发现射线精子由异质螺旋部分组成:刚性螺旋头部和柔软尾部,它们通过“中间件”连接,为旋转运动提供能量。射线精子的头部不仅是遗传物质的“容器”,还与柔软的尾巴一起促进推进。

HDH推进的高能效

为了更多地了解运动模式,该团队分析了大量游泳数据,并在纳米尺度上观察了精子的内部结构。由于射线精子的头部和尾部在游泳时以不同的旋转速度和幅度向同一方向旋转,因此该团队将其命名为异质双螺旋(HDH)推进。

根据他们的统计分析,头部贡献了大约 31% 的总推进力,这是所有已知精子中第一次记录到头部推进力。由于头部的贡献,射线精子的运动效率高于其他仅由尾部驱动的小鸟和公牛等物种。

“这种非传统的推进方式不仅为射线精子提供了对各种粘性环境的高度适应性,而且还带来了卓越的运动能力和效率,”沉博士解释说,他的研究重点是机器人技术以及微/纳米操纵和控制。

环境适应性强

环境适应性在自然选择中至关重要。射线精子的头部和尾部可以根据环境粘度调整其运动和对推进力的贡献,并以不同的速度游动以进行前进运动。因此,射线精子可以在各种粘度范围广泛的环境中移动,表现出很高的环境适应性。

研究小组还发现,射线精子具有独特的双向游动能力,这意味着它们不仅可以向前游动,还可以向后游动。这种能力为自然界中的精子提供了优势,尤其是当它们遇到障碍时。而其他球形或棒状头部的精子则无法实现双向运动。

由于HDH模型,射线精子的螺旋头具有主动转向能力。由于头部和尾部都有助于推进,它们之间的角度会对身体产生侧向力,使射线精子转动,在运动中表现出高度的灵活性。

仿生机器人演示HDH模型

独特的 HDH 模型在运动性和效率方面表现出广泛的特征,并激发了团队设计微型机器人的灵感。同样具有刚性螺旋头和软尾的仿生机器人在相同功率输入下在适应性和效率方面表现出与传统机器人相似的优势。它可以在有液体的环境中灵活移动,即使粘度发生变化。

这些能力可以为设计游泳机器人提供见解,以应对具有复杂流体环境(如血管内)的人体内部具有挑战性的工程任务和生物医学应用。

“我们相信,了解这种独特的推进将彻底改变微生物运动的知识,这将促进对自然受精的理解,并为粘性条件下仿生机器人的设计提供灵感,”沉博士总结道。

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