เป็นที่ตกลงกันโดยทั่วไปว่าอสุจิ “ว่ายน้ำ” โดยการตีหรือหมุนหางที่อ่อนนุ่มของมัน อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าสเปิร์มของรังสีเคลื่อนที่โดยการหมุนทั้งหางและศีรษะ ทีมงานได้ตรวจสอบรูปแบบการเคลื่อนไหวเพิ่มเติมและสาธิตด้วยหุ่นยนต์ การศึกษาของพวกเขาได้ขยายความรู้เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของจุลินทรีย์และเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวิศวกรรมหุ่นยนต์
การค้นพบที่น่าแปลกใจ
การวิจัยได้เปิดเผยโหมดการเคลื่อนที่แบบใหม่และแปลกประหลาดของสเปิร์มรังสี ซึ่งพวกเขาเรียกว่า "แบบจำลองเฮเทอโรเจเนียสดูอัลเฮลิกส์ (HDH)" “นี่เป็นการค้นพบโดยบังเอิญจริงๆ”
ทั้งหมดนี้เริ่มต้นด้วยงานวิจัยอื่นของทีมที่พัฒนาเทคนิคการผสมเทียมสำหรับการเลี้ยงปลากระดูกอ่อน ซึ่งรวมถึงปลาฉลามและปลากระเบน ซึ่งโครงกระดูกทั้งหมดหรือส่วนใหญ่ประกอบด้วยกระดูกอ่อน “ปลากระดูกอ่อนสามารถใช้เป็น 'โรงงาน' เพื่อผลิตแอนติบอดีต่อโรคต่างๆ ซึ่งรวมถึง COVID-19 ดังนั้นเราจึงต้องการพัฒนาเทคนิคการผสมเทียมเพื่อเลี้ยงพวกมันเพื่อการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำที่มีมูลค่าสูง” เขากล่าว
ในระหว่างกระบวนการนั้น ทีมงานรู้สึกประหลาดใจอย่างมากเมื่อได้สังเกตโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์และการเคลื่อนที่ของรังสีสเปิร์มภายใต้กล้องจุลทรรศน์เป็นครั้งแรก พวกเขาค้นพบว่าหัวของสเปิร์มรังสีมีโครงสร้างเป็นเกลียวยาวมากกว่าจะกลม และจะหมุนไปพร้อมกับหางเมื่อว่ายน้ำ
ทีมงานได้ตรวจสอบกลไกการขับเคลื่อนของมันเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งบทบาทที่แน่นอนของศีรษะในการเคลื่อนไหว พวกเขาพบว่าสเปิร์มของรังสีประกอบด้วยส่วนเกลียวที่แตกต่างกัน: หัวเกลียวแข็งและหางอ่อนซึ่งเชื่อมต่อกันด้วย "ส่วนตรงกลาง" ที่ให้พลังงานสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุน หัวของสเปิร์มรังสีไม่เพียงแต่เป็น “ภาชนะ” ของสารพันธุกรรมเท่านั้น แต่ยังช่วยขับดันร่วมกับหางอ่อนอีกด้วย
เพื่อให้เข้าใจโหมดการเคลื่อนไหวมากขึ้น ทีมงานได้วิเคราะห์ข้อมูลการว่ายน้ำจำนวนมากและสังเกตโครงสร้างภายในของสเปิร์มที่ระดับนาโน เนื่องจากทั้งหัวและหางของรังสีสเปิร์มหมุนไปในทิศทางเดียวกันด้วยความเร็วรอบและแอมพลิจูดที่หลากหลายเมื่อว่ายน้ำ ทีมงานจึงตั้งชื่อสิ่งนี้ว่าเป็นแรงขับดันคู่ที่ต่างกัน (HDH)
จากการวิเคราะห์ทางสถิติ ส่วนหัวมีส่วนสนับสนุนประมาณ 31% ของแรงขับเคลื่อนทั้งหมด ซึ่งเป็นการบันทึกการขับเคลื่อนศีรษะครั้งแรกในตัวอสุจิที่รู้จักทั้งหมด เนื่องจากการมีส่วนร่วมของศีรษะ ประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ของสเปิร์มรังสีจึงสูงกว่าสปีชีส์อื่นๆ เช่น sterlet และ bull ซึ่งขับเคลื่อนด้วยหางเท่านั้น
“วิธีการขับเคลื่อนที่แปลกใหม่เช่นนี้ไม่เพียงแต่ให้สเปิร์มของรังสีที่ปรับตัวได้สูงกับสภาพแวดล้อมที่มีความหนืดที่หลากหลาย แต่ยังนำไปสู่ความสามารถในการเคลื่อนไหวและประสิทธิภาพที่เหนือกว่าอีกด้วย”
การปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมสูง
การปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งสำคัญในการคัดเลือกโดยธรรมชาติ หัวและหางของรังสีสเปิร์มสามารถปรับการเคลื่อนไหวและมีส่วนในการขับเคลื่อนตามความหนืดของสิ่งแวดล้อมและว่ายด้วยความเร็วที่แตกต่างกันสำหรับการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ดังนั้นสเปิร์มของรังสีจึงสามารถเคลื่อนที่ได้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ ด้วยความหนืดที่หลากหลาย ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมสูง
ทีมงานยังพบว่าสเปิร์มของรังสีมีความสามารถในการว่ายน้ำแบบสองทิศทางที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถว่ายน้ำได้ไม่เพียงแต่ในทิศทางไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ยังสามารถว่ายน้ำในทิศทางย้อนกลับได้อีกด้วย ความสามารถดังกล่าวให้ประโยชน์กับสเปิร์มในธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องเผชิญกับอุปสรรค และสเปิร์มอื่นๆ ที่มีหัวเป็นทรงกลมหรือเป็นแท่งไม่สามารถเคลื่อนไหวแบบสองทิศทางได้
ด้วยแบบจำลอง HDH หัวเกลียวของสเปิร์มรังสีจึงมีความสามารถในการหมุนแบบแอคทีฟ เนื่องจากทั้งหัวและหางมีส่วนในการขับเคลื่อน มุมระหว่างพวกมันจะสร้างแรงด้านข้างบนร่างกาย ทำให้สเปิร์มรังสีหมุนได้ แสดงความยืดหยุ่นในการเคลื่อนที่สูง
หุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพสาธิตโมเดล HDH
โมเดล HDH ที่แปลกประหลาดแสดงให้เห็นคุณลักษณะที่กว้างขวางในด้านการเคลื่อนไหวและประสิทธิภาพ และเป็นแรงบันดาลใจให้ทีมออกแบบไมโครโรบอท หุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพซึ่งมีหัวเกลียวแข็งและหางอ่อน แสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าที่คล้ายคลึงกันเหนือหุ่นยนต์ทั่วไปในแง่ของความสามารถในการปรับตัวและประสิทธิภาพภายใต้กำลังไฟฟ้าเข้าเดียวกัน สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างชำนาญในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลว แม้ว่าความหนืดจะเปลี่ยนไปก็ตาม
ความสามารถดังกล่าวสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกในการออกแบบหุ่นยนต์ว่ายน้ำสำหรับงานวิศวกรรมที่ท้าทายและ ชีวการแพทย์ การใช้งานภายในร่างกายมนุษย์ที่มีสภาพแวดล้อมของเหลวที่ซับซ้อน เช่น ภายในหลอดเลือด