Người ta thường đồng ý rằng tinh trùng “bơi” bằng cách đập hoặc xoay đuôi mềm của chúng. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học đứng đầu đã phát hiện ra rằng tinh trùng tia di chuyển bằng cách xoay cả đuôi và đầu. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu sâu hơn về mô hình chuyển động và trình diễn nó bằng một con rô bốt. Nghiên cứu của họ đã mở rộng kiến thức về chuyển động của vi sinh vật và cung cấp nguồn cảm hứng cho việc thiết kế kỹ thuật robot.
Khám phá đáng ngạc nhiên
Nghiên cứu đã tiết lộ một chế độ chuyển động mới và đặc biệt của tinh trùng tia, mà họ gọi là mô hình "Các xoắn kép không đồng nhất (HDH)." "Đây thực sự là một khám phá tình cờ,"
Tất cả bắt đầu với một nghiên cứu khác của nhóm về phát triển kỹ thuật thụ tinh nhân tạo để nuôi cá sụn, bao gồm cả cá mập và cá đuối, có bộ xương hoàn toàn hoặc phần lớn là sụn. “Cá sụn có thể được sử dụng như một 'nhà máy' sản xuất các kháng thể chống lại bệnh tật, bao gồm COVID-19. Vì vậy, chúng tôi muốn phát triển kỹ thuật thụ tinh nhân tạo để nuôi chúng phục vụ nuôi trồng thủy sản giá trị cao ”, anh nói.
Trong suốt quá trình đó, nhóm nghiên cứu đã vô cùng ngạc nhiên khi lần đầu tiên họ quan sát được cấu trúc độc đáo và chuyển động bơi lội của tinh trùng tia dưới kính hiển vi. Họ phát hiện ra rằng đầu của tinh trùng tia có cấu trúc xoắn dài hơn là hình tròn, và nó xoay cùng với đuôi khi bơi.
Nhóm nghiên cứu sâu hơn về cơ chế đẩy của nó, đặc biệt là vai trò chính xác của đầu trong chuyển động. Họ phát hiện ra rằng các tinh trùng dạng tia bao gồm các phần xoắn ốc không đồng nhất: một phần đầu xoắn ốc cứng và một phần đuôi mềm, được nối với nhau bằng một “phần giữa” cung cấp năng lượng cho chuyển động quay. Đầu của tinh trùng tia không chỉ là “vật chứa” vật liệu di truyền mà còn tạo điều kiện thúc đẩy cùng với đuôi mềm.
Để hiểu rõ hơn về chế độ chuyển động, nhóm nghiên cứu đã phân tích một lượng lớn dữ liệu bơi lội và quan sát cấu trúc bên trong của tinh trùng ở kích thước nano. Vì cả đầu và đuôi của tinh trùng tia đều quay theo cùng một hướng với nhiều tốc độ và biên độ quay khác nhau khi bơi, nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho nó là động cơ đẩy xoắn kép không đồng nhất (HDH).
Theo phân tích thống kê của họ, phần đầu đóng góp khoảng 31% tổng lực đẩy, đây là lực đẩy đầu tiên được ghi nhận trong tất cả các loại tinh trùng. Do sự đóng góp của đầu nên hiệu quả chuyển động của tinh trùng tia cao hơn các loài khác như bò đực và bò đực, vốn chỉ được điều khiển bằng đuôi.
“Cách đẩy phi truyền thống như vậy không chỉ cung cấp cho tinh trùng tia có khả năng thích ứng cao với nhiều loại môi trường nhớt, mà còn dẫn đến khả năng chuyển động vượt trội và hiệu quả,”.
Khả năng thích ứng với môi trường cao
Khả năng thích ứng với môi trường là rất quan trọng trong quá trình chọn lọc tự nhiên. Đầu và đuôi của tinh trùng tia có thể điều chỉnh chuyển động của chúng và đóng góp vào lực đẩy theo độ nhớt của môi trường và bơi ở các tốc độ khác nhau để chuyển động tịnh tiến. Do đó, tinh trùng tia có thể di chuyển trong nhiều môi trường khác nhau với độ nhớt đa dạng, thể hiện khả năng thích nghi với môi trường cao.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng tinh trùng tia có khả năng bơi hai hướng độc đáo, có nghĩa là chúng có thể bơi không chỉ theo hướng về phía trước mà còn có thể bơi theo hướng lùi. Khả năng như vậy mang lại lợi thế cho tinh trùng trong tự nhiên, đặc biệt là khi chúng gặp trở ngại. Còn các loại tinh trùng khác có đầu hình cầu hoặc hình que thì không thể chuyển động hai chiều.
Nhờ mô hình HDH, đầu xoắn của tinh trùng tia có khả năng quay vòng chủ động. Vì cả đầu và đuôi đều đóng góp vào lực đẩy, góc giữa chúng sẽ tạo ra một lực tác động vào cơ thể, tạo điều kiện cho tinh trùng quay, thể hiện sự linh hoạt cao trong chuyển động của nó.
Robot lấy cảm hứng từ sinh học trình diễn mô hình HDH
Mô hình HDH đặc biệt cho thấy các tính năng mở rộng về tính năng động và hiệu quả, đồng thời truyền cảm hứng cho nhóm thiết kế microrobots. Robot lấy cảm hứng từ sinh học, cũng với đầu xoắn ốc cứng và đuôi mềm, đã thể hiện những ưu điểm tương tự so với những robot thông thường về khả năng thích ứng và hiệu quả trong cùng một nguồn điện đầu vào. Nó có thể di chuyển khéo léo trong môi trường có chất lỏng, ngay cả khi độ nhớt thay đổi.
Những khả năng như vậy có thể cung cấp thông tin chi tiết về việc thiết kế robot bơi cho các nhiệm vụ kỹ thuật đầy thách thức và y sinh ứng dụng bên trong cơ thể con người với môi trường chất lỏng phức tạp, như bên trong mạch máu.