El esperma de erizo de mar podría informar el diseño de un robot en miniatura

Los espermatozoides tienen un único sentido de direccion. Las células reproductivas de muchas especies están sintonizadas para buscar huevos, sin importar cuán lejos o difícil sea el viaje. Tome el sexo del erizo de mar. Primero, los machos y las hembras arrojarán nubes de espermatozoides y óvulos al océano. Para encontrar y fertilizar un óvulo en aguas abiertas, el esperma de estas criaturas espinosas del fondo marino sigue un rastro químico de migas de pan. Y los ingenieros están aprovechando este ingenioso método de atracción para sus propios robots más inteligentes que buscan destinos.

Un estudio publicado el 9 de diciembre en la revista Revisión física E detalla las similitudes entre la trayectoria del esperma de erizo de mar y los sistemas informáticos que utilizan un tipo de enfoque de búsqueda en tiempo real llamado búsqueda extrema. Ingenieros de la Universidad de California, Irvine y la Universidad de Michigan crearon un modelo matemático de la ruta del esperma para comprender mejor su comportamiento. Según los autores, evaluar la naturaleza biológica del erizo de mar podría ayudar a diseñar robots en miniatura que sigan las señales de las fuentes de la misma manera.

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Desde la década de 1920, los ingenieros han utilizado buscando el final como una técnica de control adaptativo para programar tecnologías que ayudan a dirigir o dirigir los sistemas para una función máxima. Se ha utilizado para controlar y optimizar el flujo de combustible en sistemas de propulsión de vuelo, combustión para motores y hornos de gas, y sistemas de frenos antibloqueo en automóviles. Básicamente, el algoritmo de búsqueda de extremos de un sistema rastrea una baliza de señal emitida por una fuente, dice Mahmud Abdelgalil

quien estudia dinámica y control en UC Irvine y fue el autor principal del artículo.

Cuando piensas en diseños robóticos, el sexo con erizos de mar no es exactamente lo que te viene a la mente. Pero Abdelgalil dice que sus células reproductivas son un modelo biológico útil y bien estudiado. Para encontrar un óvulo, esperma de erizo de mar usar quimiotaxis, donde las células se mueven en respuesta a un estímulo químico. Los huevos de erizo de mar secretan específicamente un compuesto llamado péptido activador de esperma, que interactúa con el flagelo del esperma, controlando cómo late. Esto curva y desvía la dirección del esperma en un camino hacia el óvulo.

“Los espermatozoides no tienen GPS”, dice Abdelgalil. “No saben de antemano dónde está el huevo. Así miden la concentración local [of the peptide] en la posición actual, luego usan esa información y se mueven en la dirección de aumentar los niveles de concentración, lo que nos gusta llamar la dirección del gradiente de concentración”.

Es lo mismo para un robot de búsqueda de extremos: no tiene coordenadas ni otra información sobre la ubicación del objetivo; todo lo que sabe es que puede medir y seguir la señal dinámica desde la posición actual. Abdelgalil tuvo la idea de observar el esperma de erizo de mar cuando vio un artículo publicado anteriormente que detallaba su comportamiento bajo un microscopio. La trayectoria del esperma parecía casi idéntica a un modelo propuesto de un robot monociclo de búsqueda de extremos, una máquina simple que solo puede controlar su orientación y moverse hacia adelante.

“Tan pronto como vi las dos fotos, me di cuenta de que esto es más o menos lo mismo”, dice. Entonces, en el nuevo estudio, Abdelgalil y sus colegas ilustraron cómo los componentes clave de la estrategia de navegación del esperma del erizo de mar se asemejan a las características distintivas de la búsqueda de extremos.

Esta estrategia de búsqueda extremadamente efectiva, que evolucionó con el tiempo en la naturaleza, podría ser útil para afinar los diseños y tecnologías de sistemas futuros. Los algoritmos de búsqueda extrema con sensores mínimos podrían ayudar a dirigir robots en miniatura, como los que se están probando para la administración dirigida de medicamentos. Los grupos de investigación ya han explorado diseños de microrobots de administración de fármacos que utilizan señales externas, dice Abdelgalil. Por ejemplo, Abdelgalil menciona que los investigadores de ETH Zurich en Suiza desarrollaron un diminuto robot inspirado en larvas de estrellas de mar que está guiado por ondas de sonido y algún día podría ser útil para administrar medicamentos directamente a células enfermas específicas en el cuerpo. “Espero que mi trabajo eventualmente se aplique en el estudio o diseño de microrobots que empleen búsquedas extremas para navegar de forma autónoma en entornos y encontrar las ubicaciones exactas de las células infectadas que necesitan medicamentos”, dice.

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Abdelgalil también señala que otros organismos parecen tener alguna forma de búsqueda extrema, incluidos bacterias en busca de alimento o algas moviéndose en la dirección de la luz. “Podemos aprender del comportamiento de estos microorganismos para diseñar nuestros robots que se comporten de una manera bien definida cuando no hay nadie comandándolos”, dice. “Esto puede mejorar la autonomía de nuestros robots operados más tradicionalmente”.

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