海胆精子对机器人专家来说非常有用

精子具有独特的方向感。许多物种的生殖细胞都能够寻找卵子，无论路途多远或多艰难。以海胆性行为为例。首先，雄性和雌性会将大量精子和卵细胞喷射到海洋中。为了在开阔的水域找到并使卵子受精，这些多刺的海底生物的精子会沿着化学面包屑轨迹行进。工程师们正在利用这种巧妙的吸引方法，制造出更聪明、更能寻找目的地的机器人。

12 月 9 日发表在《物理评论 E》杂志上的一项研究 详细描述了海胆精子的轨迹与使用一种名为极值搜索的实时搜索方法的计算机系统之间的相似之处。加州大学欧文分校和密歇根大学的工程师们制作了精子路径的数学模型，以更好地理解其行为。据作者称，评估海胆的生物性质可以帮助设计以同样的方式遵循来源线索的微型机器人。

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自 20 世纪 20 年代以来，工程师们就一直使用极值搜索作为一种自适应控制技术来编程技术，帮助引导或指挥系统发挥最大功能。它已用于控制和优化飞行推进系统中的燃料流动、发动机和燃气炉的燃烧以及汽车的防抱死制动系统。加州大学欧文分校研究动力学和控制的马哈茂德·阿卜杜尔加利尔 (Mahmoud Abdelgalil) 是这篇论文的主要作者，他说，从根本上讲，系统的极值搜索算法会跟踪源发出的信号信标。

当你想到机器人设计时，你不会想到海胆性爱。但阿卜杜勒加利尔说，它们的生殖细胞是一种有用且经过充分研究的生物模型。为了找到卵子，海胆精子会使用趋化性，即细胞在化学刺激下移动。海胆卵会专门分泌一种称为精子激活肽的化合物，这种化合物与精子的鞭毛相互作用，控制其跳动方式。这会使精子在通往卵子的路径上弯曲和弯折方向。

“精子没有 GPS，”阿卜杜勒加利尔说。“它们事先不知道卵子在哪里。所以它们测量当前位置的局部浓度（肽），然后利用这些信息向浓度增加的方向移动——我们喜欢称之为浓度梯度方向。”

寻找极值的机器人也是如此：它没有坐标或其他有关目标位置的信息——它所知道的只是它可以测量和跟踪当前位置的动态信号。阿卜杜勒加利尔在看到一篇之前发表的论文详细介绍了海胆精子在显微镜下的行为时，萌生了观察海胆精子的想法。精子的轨迹看起来与寻找极值的单轮机器人的拟议模型几乎相同，单轮机器人是一种只能控制方向并向前移动的简单机器。

他说：“我一看到这两张照片，就意识到这或多或少是相同的。”因此，在这项新研究中，阿卜杜勒加利尔和他的同事说明了海胆精子导航策略的关键组成部分如何与极值寻求的标志性特征相似。

这种极其有效的搜索策略在自然界中随着时间的推移而进化，可能有助于微调未来的系统设计和技术。具有最小传感器的极值搜索算法可以帮助操纵微型机器人，例如那些正在测试用于靶向药物输送的机器人。阿卜杜勒加利尔说，研究小组已经探索了利用外部信号的药物输送微型机器人设计。例如，阿卜杜勒加利尔提到，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种受海星幼虫启发的微型机器人，该机器人由声波引导，有朝一日可能有助于将药物直接输送到体内特定的患病细胞中。“我希望我的工作最终能应用于研究或设计微型机器人，这些机器人采用极值搜索来自主导航环境并找到需要药物的受感染细胞的确切位置，”他说。

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阿卜杜尔加利尔还指出，其他生物似乎也有某种形式的极值搜索，包括寻找食物的细菌或朝光的方向移动的藻类。“我们可以从这些微生物的行为中学习，设计出在没有人指挥的情况下以明确的方式行动的机器人，”他说。“这可以增强我们更传统的机器人的自主性。”