用于重现和研究复杂纤毛行为的新型机器人平台

纤毛是从某些细胞表面延伸出来的感觉结构。这些毛发状结构被认为有助于各种生物体(包括人类)的感觉运动能力。

为了发挥生理功能，纤毛必须同步跳动。尽管过去有许多研究致力于探索纤毛同步，但其生物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原理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，该系统由名为 HEXBUG 的自推进机器人链组成。

论文共同作者杨明成告诉 Phys.org：“该项目源于夏一明和胡子贤为了好玩而构建的 HEXBUG 机器人链，它们最初用于研究自推进剂的集体运动。”

“令人惊讶的是，他们发现两个锚定在共用碱基上的 HEXBUG 链可以同步跳动。我们立即意识到，锚定的 HEXBUG 链的行为类似于生物纤毛，可用于研究仅由机械耦合(即没有流体动力学效应)引起的纤毛之间的同步。”

论文合著者戴伟博士是生物纤毛方面的专家，他一直在研究生物模型生物莱茵衣藻的纤毛同步化问题。作为最近这项研究的一部分，他评估了机器人系统在实验中重现纤毛行为的潜力。

杨说：“为了了解锚定 HEXBUG 链有趣动力学的机械基础，我们构建了一个基于连接自推进粒子的简化理论模型。”“随后，夏一鸣在广泛的系统参数范围内进行了布朗动力学模拟，成功重现了实验观察结果。”

Xia 运行的模拟用于模拟系统中不同步态之间的竞争和过渡，同时准确预测其热力学。这反过来又可用于探索可能控制纤毛行为进化的能量规则，特别是不同同步步态如何竞争和产生能量。

杨说：“经过一些尝试，我们认识到当前的简单系统向能量耗散最大的稳定状态(即最大熵产生率)演变。”

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