精子には独自性がある 方向感覚. 多くの種の生殖細胞は、旅の距離や困難に関係なく、卵を探すように調整されています。 ウニのセックスを取る。 まず、オスとメスが精子と卵細胞の雲を海に吹き出します。 外海で卵を見つけて受精させるために、これらのとげのある海底の生き物の精子は、化学的なパンくずの道をたどります。 そしてエンジニアは、この巧妙な引き寄せ方法を、よりスマートで目的地を探す独自のロボットに利用しようとしています。
ジャーナルで12月9日に発表された研究 フィジカルレビューE ウニの精子の軌跡と、極値探索と呼ばれる一種のリアルタイム検索アプローチを使用するコンピューター システムとの類似点を詳しく説明しています。 カリフォルニア大学アーバイン校とミシガン大学のエンジニアは、精子の行動をよりよく理解するために、精子の経路の数学モデルを作成しました。 著者らによると、ウニの生物学的性質を評価することは、同じように情報源からの手がかりに従う小型ロボットの設計に役立つ可能性があります。
[Related: Sterile mice have been modified to make rat sperm]
1920 年代以来、エンジニアは 極値シーク システムを最大限に機能させるためにシステムを操縦または指示するのに役立つ技術をプログラムするための適応制御技術として。 これは、飛行推進システム、エンジンやガス炉の燃焼、自動車のアンチロック ブレーキ システムの燃料の流れを制御および最適化するために使用されています。 基本的に、システムの極値探索アルゴリズムは、ソースから発信された信号ビーコンを追跡します。 マフムード・アブデルガリルカリフォルニア大学アーバイン校でダイナミクスと制御を研究しており、この論文の筆頭著者でした。
ロボットのデザインについて考えるとき、ウニのセックスは頭に浮かぶものではありません. しかしアブデルガリルは、彼らの生殖細胞は 有用でよく研究された生物学的モデル. 卵、ウニの精子を探すために 走化性を利用する、化学刺激に反応して細胞が移動する場所。 ウニの卵は、精子活性化ペプチドと呼ばれる化合物を特異的に分泌し、精子の鞭毛と相互作用して鼓動を制御します。 これにより、卵子に向かう経路で精子の方向が曲がります。
「精子には GPS がありません」とアブデルガリルは言います。 「彼らは卵がどこにあるかを前もって知りません。 だから彼らは局所濃度を測定します [of the peptide] 現在の位置で、彼らはその情報を使用して、濃度レベルが増加する方向に移動します。これを濃度勾配の方向と呼んでいます。」
極値を探すロボットも同じです。ターゲットの位置に関する座標やその他の情報はありません。現在の位置からの動的信号を測定して追跡できることだけを知っています。 アブデルガリルは、ウニの精子を顕微鏡で観察するという以前に発表された論文を見て、ウニの精子を観察することを思いつきました。 精子の軌跡は、提案された極値探索型一輪車ロボットのモデルとほぼ同じように見えました。これは、方向を制御して前方に移動するだけの単純な機械です。
「2枚の写真を見てすぐに、これはほぼ同じだということがわかりました」と彼は言います。 そのため、アブデルガリルと彼の同僚は、新しい研究で、ウニの精子のナビゲーション戦略の重要な要素が極値探索の特徴的な特徴にどのように似ているかを説明しました。
この非常に効果的な検索戦略は、本質的に時間をかけて進化し、将来のシステム設計と技術を微調整するのに役立つ可能性があります. 最小限のセンサーを使用した極値探索アルゴリズムは、ターゲットを絞った薬物送達についてテストされているような小型ロボットの操縦に役立つ可能性があります。 研究グループは、外部信号を利用する薬物送達マイクロロボットの設計をすでに調査していると、Abdelgalil 氏は述べています。 たとえば、アブデルガリルは、スイスの ETH チューリッヒの研究者が開発したと述べています。 小さなヒトデの幼虫にヒントを得たロボット それは音波によって導かれ、いつか体内の特定の病気の細胞に直接薬を届けるのに役立つかもしれません. 「私の研究が最終的に、環境を自律的にナビゲートし、薬を必要とする感染細胞の正確な位置を見つけようとする極値を使用するマイクロロボットの研究または設計に適用されることを願っています」と彼は言います。
[Related: What this jellyfish-like sea creature can teach us about underwater vehicles of the future]
アブデルガリルはまた、他の生物は何らかの形で極値探索を行っているようだと指摘している。 食べ物を探すバクテリア また 光の方向に動く藻類. 「これらの微生物の行動から学ぶことで、誰も命令していないときに明確に定義された方法で行動するロボットを設計できます」と彼は言います。 「これにより、従来より操作されていたロボットの自律性を高めることができます。」