在我們傳統(tǒng)的認知中，精子由接近圓形或棒形的頭部及柔軟的尾部組成，其中頭部用于儲存遺傳物質，尾部通過旋轉或擺動來驅動精子向前游動。

　　最近，來自香港城市大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)魟魚精子的頭部呈特殊的螺旋狀，其與柔軟的尾部共同驅動魟魚精子的游動。在觀測和分析的基礎上，團隊揭示了魟魚精子在低雷諾數環(huán)境中的特殊推進方式——異質雙節(jié)螺旋推進模型。這種異質雙節(jié)螺旋推進不僅為魟魚精子提供了多種粘度環(huán)境下的高適應性，并且使其具有優(yōu)越的運動線性度、雙向運動能力及高運動效率。

　　進而，研究團隊設計了一種具有剛性螺旋頭和柔性螺旋尾組成的微型仿生游動機器人。實驗驗證表明，在相同的功率輸入下，雙節(jié)螺旋推進的游動機器人比傳統(tǒng)的單節(jié)螺旋游動機器人具有更高的運動效率及更強的環(huán)境適應能力。相關成果以《Self-adaptive and efficient propulsion of Ray sperms at different viscosities enabled by heterogeneous dual helixes（異質雙節(jié)螺旋結構為魟魚精子在多種環(huán)境中帶來自適應高效推進）》為題，于近日發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（美國國家科學院院刊）》上。

　　▍魟魚精子的異質雙節(jié)螺旋結構

魟魚又稱魔鬼魚，是鯊魚的近緣，出現(xiàn)于中生代的侏羅紀（約1.8億年～1.4億年前）。魟在分類上屬于軟骨魚類的亞目，其游動時如波浪一樣擺動胸鰭，如同在水中飛翔一樣，非常美麗。文章第一作者王盼冰博士說道“我們通過多種顯微技術，包括光學顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡及共聚焦顯微鏡等對魟魚精子的形態(tài)結構進行了詳細地觀察及分析，明確了魟魚精子由包括剛性螺旋頭部、柔性螺旋尾部及中段的能量發(fā)動機（線粒體）組成”。

數據對比發(fā)現(xiàn)，魟魚精子的運動直線性明顯高于牛、羊、馬等物種的精子。研究團隊分析了大量魟魚精子的游動數據，發(fā)現(xiàn)在游動過程中，魟魚精子的頭和尾以不同的旋轉速度和幅度向相同的方向旋轉，通過對其游動建模，團隊提出了名為“異質雙節(jié)螺旋推進（heterogeneous dual helixes, HDH）”的精子游動模型。

　　圖1. 魟魚照片 (A)，魟魚精子的雙節(jié)螺旋推進模型 (B)，熒光顯微鏡 (C)、掃描電子顯微鏡 (D)下觀察到的魟魚精子圖像。

▍異質雙節(jié)螺旋推進模型

為了更詳細地分析魟魚精子的這種特殊的雙螺旋推進機制，研究團隊使用抗力理論對精子運動進行了建模，并分析了頭部在精子前進過程中的推進作用。

大量的實驗統(tǒng)計及數據分析結果表明，魟魚精子的螺旋頭部對于整個精子細胞可以貢獻大約 31% 的推進力，革新了人們對于細胞運動的傳統(tǒng)認知。同時，這種異質雙節(jié)螺旋推進機制也給魟魚精子帶來了更高的推進效率。

與傳統(tǒng)只依靠尾巴產生推進力的精子相比，螺旋狀的頭部可以有效地將旋轉運動轉化為前進運動，使得魟魚精子的運動效率遠高于其他僅由尾部驅動的物種。研究人員對比了包括魟魚精子在內的多個物種精子的前進速度與轉動（擺動）頻率的比值，發(fā)現(xiàn)公牛和小體鱘等物種的精子尾部每擺動/旋轉一次僅分別可以前進5.5微米及3.85微米，而魟魚精子尾部每旋轉一次則可前進14.8微米，是其他物種的2.5倍以上，具有超高的運動效率。

▍異質雙節(jié)螺旋推進的獨特優(yōu)勢

研究人員還發(fā)現(xiàn)了魟魚精子獨特的異質雙節(jié)螺旋結構能提供雙向游動能力，而這種能力提高了精子在自然界中的運動能力，尤其是可以使他們在遇到障礙時可以很好地避開。此外，這種異質雙節(jié)螺旋結構也給予魟魚精子靈活可控的轉向能力。由于頭部和尾部均可以產生推進力，那么當頭尾之間的夾角變化時，身體會受到一個側向力的作用，使得精子能夠實現(xiàn)平滑的轉彎運動。

這種非傳統(tǒng)的推進方式同時也為魟魚精子提供了對不同粘性環(huán)境的高度適應性。精子在生殖系統(tǒng)中運動時，環(huán)境粘度會發(fā)生變化，因此環(huán)境適應性對精子來說至關重要。魟魚精子的頭部和尾部可以根據環(huán)境的粘度調整其運動狀態(tài)，能夠保證魟魚精子在各種粘度的溶液中都能快速前進，表現(xiàn)出很高的環(huán)境適應性，對于自然繁殖等有積極作用。

研究團隊對比了多個物種的精子在粘度環(huán)境中的運動情況，實驗結果表明，當環(huán)境粘度增加50倍時，魟魚精子的運動速度僅下降約26%，而其他物種如牛等在環(huán)境粘度增至30倍時，其速度已下降62%，證明了魟魚精子的高環(huán)境適應性。

這種獨特的雙螺旋推進模型在運動線性度、靈活度、運動效率及環(huán)境適應性等方面表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，并給微型機器人的設計帶來了靈感。受魟魚精子啟發(fā)，該研究團隊設計了一個同樣具有剛性螺旋頭和柔性螺旋尾的仿生機器人。

在多種不同粘度環(huán)境中（溶液粘度值100~1600 mPa·s），當輸入功率相同時，雙節(jié)螺旋推進的仿生機器人均比傳統(tǒng)的單螺旋機器人運動速度更快，證明了雙節(jié)螺旋仿生機器人在環(huán)境適應性及運動效率方面的獨特優(yōu)勢。因此，這類仿生游動機器人尤其適用于粘度變化較大的環(huán)境，例如灘涂、淤泥等復雜環(huán)境。在不遠的將來，研究人員計劃在這種仿生機器人上搭載傳感及通訊設備，使其能夠進行深海探測、石油勘探等任務，對科研成果的產業(yè)化發(fā)展有積極推動作用。

研究人員展望道：“除魟魚外，我們發(fā)現(xiàn)鯊魚的精子也具有類似的雙節(jié)螺旋結構。這種獨特的推進機制將革新人們對微生物運動的認知，為研究自然受精提供了一個新的視角，同時為仿生機器人的設計帶來了靈感。受這種雙節(jié)螺旋推進機制啟發(fā)的仿生機器人在運動效率和靈活性及環(huán)境適應性等方面顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，在工業(yè)工程等領域有巨大的應用前景。我們希望在這種仿生機器人上集成多種傳感器及通訊設備，將來可以應用于海洋探測、濕地保護及灘涂勘探等應用?！?/p>

該工作由香港城市大學生物醫(yī)學工程系申亞京課題組和香港城市大學生物醫(yī)學系史家海課題組主導完成。王盼冰博士和M. A. R. Al Azad博士為文章第一作者。其他合著者包括香港城市大學申亞京課題組在讀博士生楊雄和香港海洋公園公司的研究人員。該研究得到了國家自然科學基金(61922093, U1813211,81770099)，香港醫(yī)療衛(wèi)生研究基金(05160296)，香港研究資助局(21101218)，深圳市科技創(chuàng)新基金(JCYJ20170413115637100，JCYJ20170412152916724)，深圳市三名工程醫(yī)學研究項目(SZSM201811092)，香港研究資助局優(yōu)配研究基金(11211720)，深圳市重點基礎研究項目(JCYJ20200109114827177)的資助。

文章鏈接：PanbingWang, M. A. R. Al Azad, Xiong Yang, Paolo R. Martelli, Kam Yan Cheung, JiahaiShi, and Yajing Shen, “Self-adaptive and efficient propulsion of Ray sperms atdifferent viscosities enabled by heterogeneous dual helixes”，Proceedingsof the National Academy of Sciences of the United States of America, 10.1073/pnas.2024329118

來源: 機器人大講堂