一种新的机器人平台，用于重现和研究复杂的纤毛行为
以下内容翻译自原文：
纤毛是从某些细胞表面延伸出来的感觉结构。已知这些毛发状结构有助于包括人类在内的各种生物体的感觉运动能力。
为了发挥其生理功能，纤毛必须同步跳动。虽然过去的许多研究已经着手探索纤毛同步，但其生物学和机械基础尚未完全了解。部分原因是在活体样本中和受控实验条件下研究纤毛很困难。
中国科学院物理研究所的研究人员最近推出了一个新平台，可用于重现纤毛的力学并在受控环境中研究其行为。他们提出的纤毛建模系统发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，该系统由称为 HEXBUG 的自推进机器人链组成。
该论文的合著者杨明成告诉 Phys.org：“这个项目是在夏一鸣和胡子贤为了好玩建造了一系列 HEXBUG 机器人之后产生的，这些机器人最初是用来研究自动推进器的集体运动的。” 。
“令人惊讶的是，他们发现锚定到共享碱基的两条 HEXBUG 链可以同步跳动。我们立即意识到锚定的 HEXBUG 链的行为与生物纤毛相似，可用于研究仅由机械耦合引起的纤毛之间的同步（即，没有流体动力效应）。”
该论文的共同作者戴维博士是生物纤毛方面的专家，长期以来一直在研究生物模型生物莱茵衣藻中纤毛的同步性。作为最近工作的一部分，他评估了机器人系统通过实验复制纤毛行为的潜力。
“为了了解锚定的 HEXBUG 链有趣的动力学的机械基础，我们构建了一个基于连接自驱动粒子的简化理论模型，”杨说。 “随后，夏一鸣在大范围的系统参数下进行了布朗动力学模拟，成功地再现了实验观察结果。”
夏进行的模拟用于模拟系统中不同步态之间的竞争和转换，同时还准确预测其热力学。这反过来又可以用来探索可能控制纤毛行为进化的能量规则，特别是不同的同步步态如何竞争和出现能量。
“经过一些尝试，我们认识到目前的简单系统朝着具有最大能量耗散（即最大熵产率）的稳态演化，”杨说。
该研究团队创建的模型系统由一系列微型机器人（称为 HEXBUG 机器人）组成，它们相互连接形成链条。为了连接机器人，研究人员使用了一些通过 3D 打印制造的帽子。这些盖子上的接头定义了相邻 HEXABUG 机器人可以弯曲的最大角度。这个角度最终控制系统产生的纤毛跳动运动的波形。
将两条链锚定在同一个底座（类似于藻类细胞体）上并在底座上加载不同的重量后，杨和他的同事发现更强的摩擦力（更大的重量）会阻碍链的同步能力。此外，他们还将人造纤毛类系统的供电电源改为外部直流电源。这使他们能够控制系统的有效驱动力，该驱动力与施加的电压相关。
“这些实验系统在模拟中得到了很好的建模，”杨说。 “HEXBUGS被抽象为自推进杆，它们的机械相互作用由连接弹簧捕获，底座的摩擦力和主动驱动力作为两个主要控制参数。在系统地表征了仿真系统并以实验结果为基准后，我们确信模拟捕捉到了真实设置的本质。”
作为研究的一部分，该团队在模拟和实验环境中部署了他们的系统。模拟系统为他们探索系统参数空间提供了巨大的可能性，从而对步态转换和基础物理进行详细预测。
“模拟能够计算能量，这是不可能通过实验精确计算的，”杨解释道。
杨和他的同事成功开发了一个受控平台，可用于研究在纤毛中观察到的机械介导的同步行为。将来，他们提出的系统可以被世界各地的其他研究人员使用，以进一步推进对纤毛及其基础物理的理解，而这通常很难通过实验来探究。
“这个平台可用于以受控方式实现和研究复杂的纤毛行为，”杨说。 “这可能有助于研究纤毛同步的生物物理学家测试他们的工作假设。”
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原文：https://phys.org/news/2024-08-robotic-platform-complex-ciliary-behavior.html
油管：https://youtu.be/cIVSxl1jEBU
