仿生机器人展示新发现的魟鱼精子独特“泳姿”!

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普遍认为,精子透过拍打或者旋转其柔软的尾巴而“游动”。不过,由香港城市大学(香港城大)科学家领导的一支研究团队就发现,魟鱼(ray)的精子与别不同,是倚靠同时转动尾部和头部来移动。团队进一步研究了其移动的运动模式,并以机器人展示。他们的研究成果,拓阔了科学界对微生物移动模式的认识,并为机器人的工程设计提供灵感。

这项研究由香港城大生物医学工程学系(BME)副教授申亚京博士,与生物医学系(BMS)助理教授史家海博士共同领导。研究结果已发表在科学期刊《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS )上,题为〈Self-adaptive and efficient propulsion of Ray sperms at different viscosities enabled by heterogeneous dual helixes〉。

意外的发现

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荧光显微镜 (A)、扫描电子显微镜 (B)、共聚焦显微镜 (C)、透射电子显微镜(D)下魟鱼精子的影像。(图片来源:DOI number: 10.1073/pnas.2024329118)

 

这次研究发现了原来魟鱼精子具有一种全新、而且奇特的移动模式,团队称之为“异质双螺旋模型”(Heterogeneous Dual Helixes (HDH) model)。专门研究不同生物治疗的史博士说:“这其实是个意外的发现。”

一切要从团队的另一项研究说起:研发人工授精技术以养殖鲨鱼和魟鱼等软骨鱼类(cartilaginous fishes, 牠们的骨骼全部或大部分由软骨组成)的研究。史博士说:“软骨鱼可以用作‘工厂’,生产对抗例如COVID-19等疾病的抗体,所以我们想开发人工授精技术,用于高价值的水产养殖。”

在过程中,团队在显微镜下首次观察到魟鱼精子的独特结构和游动模式,令他们大感惊讶。他们发现魟鱼精子的头部并不是圆的,反而呈长型螺旋状结构,并在游泳时头部会随着尾巴旋转。

团队进一步研究魟鱼精子推进的机制,尤其是头部在移动时的确实作用。他们发现魟鱼精子由不同的螺旋状部分所组成:精子螺旋头部刚硬,尾巴则柔软,连接两者的中段部分则为旋转运动提供能量。魟鱼精子的头部不仅“盛载”遗传物质,还会与柔软的尾巴一起推进精子移动。

能量效率高的HDH推进模式

为更深入了解这种运动模式,团队分析了大量的魟鱼精子游动数据,并从纳米尺度观察精子的内部结构。由于魟鱼精子在游动时,头部和尾部会以不同的旋转速度和幅度向同一方向旋转,因此团队将该运动模式命名为异质双螺旋(heterogeneous dual helixes, HDH)推进。

按团队的统计分析,大约31%的总推动力是来自来头部,是在所有已知精子中,首次发现有精子的头部具推进力。由于魟鱼精子头部具推动力,使其运动效能高于其他仅靠尾部驱动的精子的物种,包括小体鲟(sterlet)和公牛等。

专门研究机器人技术与微/纳米操控的申博士解释说:“这种非传统的推进方式,不仅令魟鱼精子在不同粘度的环境均呈现出高度的适应能力,亦带来卓越的运动能力和效率。”

高度的环境适应能力

环境适应能力在物竞天择中可谓是至关重要。魟鱼精子的头部和尾部可以按环境粘度,调整其移动和推进力,并以不同的速度向前游。因此,魟鱼精子可以在不同粘度的多种环境中移动,展现出很高的环境适应能力。

魟鱼精子在高粘度溶液中移动的速度仅下降26%,而其他物种精子的移动速度通常会下降超过40% 。(影片来源:DOI number: 10.1073/pnas.2024329118)

研究团队更发现魟鱼精子具独特的双向游动能力,即是不单可以向前游,更可以向后游。这种能力为精子于自然环境中,尤其是当遇到障碍时,提供了优势。而其他头部呈球形或棒状的精子,则无法做到双向移动。

魟鱼精子展示出不同的游动方式,包括游向前、转方向以及向后游。(影片来源:DOI number: 10.1073/pnas.2024329118)

受惠于HDH模式,螺旋状的头部亦为魟鱼精子带来了主动转方向的能力。由于头部和尾部都参与推进,两者之间的角度会在身体产生侧向力(lateral force),令魟鱼精子可以转方向,运动的灵活性很高。

用仿生机器人展示HDH模式

魟鱼精子独特的HDH模式在活动能力和效率上,展现出多种特征,因而激发了团队设计微型机器人的灵感。他们仿照魟鱼精子结构而制成同样具有刚硬螺旋形头部和柔软尾巴的仿生机器人,在相同功率输入的情况下,于适应能力和效率方面,都较传统机器人优胜;而且即使粘度出现变化,仿生机器人也能在液体环境中灵活移动。

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团队仿照魟鱼精子而设计的仿生机器人同样由三部分组成:由硬铁线制成的螺旋形头部,柔软的螺旋尾巴是棉丝,中间以两个摩打连接。(图片来源:香港城市大学)

 

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仿生机器人游泳的情况。(图片来源:香港城市大学)

 

这些优胜特点,为日后设计游泳机器人,以应付高难度的工程任务和生物医学上的应用(例如于人体内部复杂液体环境和血管内),带来了启示。

仿生机器人能在液体环境中灵活移动。(影片来源:DOI number: 10.1073/pnas.2024329118)

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研究团队部分成员,左起︰杨雄、史家海博士、王盼冰博士和M. A. R. Al Azad博士。(图片来源:香港城市大学)

 

申博士总结说:“我们相信了解这种独特的推进方式,将颠覆有关微生物运动的认识,有助我们理解天然受精,并为设计应用于粘性环境的仿生机器人提供灵感。”

申博士和史博士均是这篇论文的共同通讯作者。第一作者是来自申博士团队的王盼冰博士,以及来自史博士团队的M. A. R. Al Azad博士。其他共同作者包括香港城大BME博士生杨雄,和香港海洋公园的研究人员。

研究获得国家自然科学基金会、香港医疗衞生研究基金、香港研究资助局、深圳市科技创新委员会、深圳市医疗卫生三名工程以及董氏生物医学研究中心的资助进行。

DOI number: 10.1073/pnas.2024329118

 

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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