Penemuan gerakan renang unik sperma ray yang ditunjukkan dengan robot yang terinspirasi dari bio
Engineering

Penemuan gerakan renang unik sperma ray yang ditunjukkan dengan robot yang terinspirasi dari bio


Robot bio-inspired ini terdiri dari tiga bagian seperti sperma ray: kepala spiral yang terbuat dari kawat besi kaku, ekor heliks yang terbuat dari kawat katun lembut, dan dua motor sebagai bagian tengah untuk suplai energi. Kredit: Universitas Kota Hong Kong

Secara umum disepakati bahwa sperma “berenang” dengan cara memukul atau memutar ekornya yang lembut. Namun, tim peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan dari City University of Hong Kong (CityU) telah menemukan bahwa sperma ray bergerak dengan memutar ekor dan kepala. Tim menyelidiki lebih lanjut pola gerak dan mendemonstrasikannya dengan robot. Studi mereka telah memperluas pengetahuan tentang gerakan mikroorganisme dan memberikan inspirasi untuk desain rekayasa robot.

Penelitian ini dipimpin bersama oleh Dr. Shen Yajing, Associate Professor dari Department of Biomedical Engineering (BME) CityU, dan Dr. Shi Jiahai, Assistant Professor dari Department of Biomedical Sciences (BMS). Temuan mereka telah dipublikasikan di jurnal sains Prosiding National Academy of Sciences Amerika Serikat (PNAS), berjudul “Propulsi mandiri dan efisien sperma Ray pada viskositas berbeda yang dimungkinkan oleh heliks ganda heterogen.”

Penemuan yang mengejutkan

Penelitian mereka mengungkapkan mode gerak baru dan aneh dari sperma ray, yang mereka sebut “model Heterogen Ganda Heliks (HDH).” “Ini sebenarnya penemuan yang tidak disengaja,” kata Dr. Shi, yang berfokus pada pengembangan berbagai bio-terapi.

Semuanya dimulai dengan penelitian lain tim untuk mengembangkan teknik inseminasi buatan untuk membudidayakan ikan bertulang rawan, termasuk hiu dan pari, yang kerangkanya seluruhnya atau sebagian besar terdiri dari tulang rawan. “Ikan bertulang rawan bisa dijadikan ‘pabrik’ untuk memproduksi antibodi terhadap penyakit, termasuk COVID-19. Jadi kami ingin mengembangkan teknik inseminasi buatan untuk membudidayakannya untuk budidaya bernilai tinggi,” katanya.

Selama proses itu, tim sangat terkejut ketika mereka pertama kali mengamati struktur unik dan gerakan berenang sperma ray di bawah mikroskop. Mereka menemukan bahwa kepala sperma pari berada dalam struktur heliks panjang daripada bulat, dan berputar bersama dengan ekor saat berenang.

Tim menyelidiki lebih lanjut mekanisme propulsinya, terutama peran yang tepat dari gerakan kepala. Mereka menemukan bahwa sperma ray terdiri dari bagian heliks heterogen: kepala spiral kaku dan ekor lembut, yang dihubungkan oleh “bagian tengah” yang menyediakan energi untuk gerakan rotasi. Kepala sperma ray tidak hanya merupakan “wadah” materi genetik tetapi juga memfasilitasi penggerak bersama dengan ekor lunak.

Robot yang terinspirasi bio bergerak dengan terampil di lingkungan cair. Kredit: Panbing Wang dkk./ DOI: 10.1073/pnas.2024329118

Efisiensi energi yang tinggi dari propulsi HDH

Untuk lebih memahami mode gerak, tim menganalisis sejumlah besar data renang dan mengamati struktur bagian dalam sperma pada skala nano. Karena kepala dan ekor sperma pari berputar ke arah yang sama dengan berbagai kecepatan dan amplitudo rotasi saat berenang, tim menamakannya sebagai propulsi heliks ganda heterogen (HDH).

Menurut analisis statistik mereka, kepala menyumbang sekitar 31% dari total kekuatan pendorong, yang merupakan tenaga penggerak kepala pertama yang tercatat di semua sperma yang diketahui. Karena kontribusi kepala, efisiensi gerak sperma pari lebih tinggi daripada spesies lain seperti sterlet dan banteng, yang hanya digerakkan oleh ekor.

“Cara propulsi yang tidak tradisional seperti itu tidak hanya memberikan sperma ray dengan kemampuan beradaptasi yang tinggi untuk berbagai lingkungan kental, tetapi juga mengarah pada kemampuan gerak yang unggul, dan efisiensi,” jelas Dr. Shen, yang fokus penelitiannya adalah robotika serta mikro/ manipulasi dan kontrol nano.

Kemampuan beradaptasi lingkungan yang tinggi

Adaptasi lingkungan sangat penting dalam seleksi alam. Kepala dan ekor sperma pari dapat menyesuaikan gerakan dan kontribusinya terhadap propulsi sesuai dengan viskositas lingkungan dan berenang pada kecepatan yang berbeda untuk gerakan maju. Oleh karena itu, sperma ray dapat bergerak di berbagai lingkungan dengan berbagai viskositas, menunjukkan kemampuan beradaptasi lingkungan yang tinggi.

Sperma sinar bergerak dengan cara yang berbeda-beda, misalnya bergerak mundur, berubah arah, kemudian bergerak maju. Kredit: Panbing Wang dkk. / DOI: 10.1073/pnas.2024329118

Tim juga menemukan bahwa sperma ray memiliki kemampuan berenang dua arah yang unik, yang berarti bahwa mereka dapat berenang tidak hanya ke arah depan tetapi juga ke arah belakang. Kemampuan seperti itu memberikan keuntungan bagi sperma di alam, terutama saat menemui kendala. Dan sperma lain dengan kepala bulat atau berbentuk batang tidak dapat mencapai gerakan dua arah.

Berkat model HDH, kepala spiral sperma pari memiliki kemampuan berputar aktif. Karena baik kepala dan ekor berkontribusi pada propulsi, sudut di antara keduanya akan menghasilkan gaya lateral pada tubuh, memungkinkan sperma ray berputar, menunjukkan fleksibilitas tinggi dalam gerakannya.

Robot yang terinspirasi dari bio mendemonstrasikan model HDH

Model HDH yang aneh menunjukkan fitur yang luas dalam motilitas dan efisiensi dan menginspirasi tim dalam merancang robot mikro. Robot bio-terinspirasi, juga dengan kepala spiral kaku dan ekor lembut, menunjukkan keunggulan yang sama dibandingkan yang konvensional dalam hal kemampuan beradaptasi dan efisiensi di bawah input daya yang sama. Itu bisa bergerak dengan terampil di lingkungan dengan cairan, bahkan ketika viskositasnya berubah.

Kemampuan tersebut dapat memberikan wawasan untuk merancang robot renang untuk tugas-tugas teknik yang menantang dan aplikasi biomedis di dalam tubuh manusia dengan lingkungan fluidic yang kompleks, seperti di dalam pembuluh darah.

“Kami percaya bahwa memahami propulsi unik ini akan merevolusi pengetahuan dalam gerakan mikroorganisme, yang akan memfasilitasi pemahaman pemupukan alami dan memberikan inspirasi untuk desain robot bio-terinspirasi dalam kondisi kental,” simpul Dr. Shen.


Perangkat baru mengungkapkan kepala sperma yang berputar dan memberi para ilmuwan pandangan paling jelas tentang gerakan 3-D-nya


Informasi lebih lanjut:
Panbing Wang et al, Propulsi mandiri dan efisien dari sperma Ray pada viskositas berbeda yang dimungkinkan oleh heliks ganda heterogen, Prosiding National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2024329118

Disediakan oleh City University of Hong Kong

Kutipan: Penemuan gerakan renang unik sperma pari yang didemonstrasikan dengan robot bio-inspired (2021, 10 Juni) diambil 10 Juni 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-06-discovery-ray-sperms-unique-motion. html

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari transaksi wajar apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel HKG