Sperma memiliki indera arah yang unik. Sel-sel reproduksi banyak spesies disetel untuk mencari telur, tidak peduli seberapa jauh atau sulit perjalanannya. Ambil seks landak laut. Pertama, jantan dan betina akan mengembuskan awan sperma dan sel telur ke laut. Untuk menemukan dan membuahi sel telur di perairan terbuka, sperma makhluk laut berduri ini mengikuti jejak remah roti kimiawi. Dan para insinyur memanfaatkan metode daya tarik yang cerdas ini untuk robot mereka sendiri yang lebih pintar dan mencari tujuan.
Sebuah studi yang diterbitkan 9 Desember di jurnal Tinjauan FisikE merinci kesamaan antara lintasan sperma bulu babi dan sistem komputer yang menggunakan jenis pendekatan pencarian real-time yang disebut pencarian ekstrem. Insinyur dari University of California, Irvine dan University of Michigan membuat model matematis jalur sperma untuk lebih memahami perilakunya. Menurut penulis, menilai sifat biologis bulu babi dapat membantu merancang robot mini yang mengikuti petunjuk dari sumber dengan cara yang sama.
[Related: Sterile mice have been modified to make rat sperm]
Sejak tahun 1920-an, para insinyur telah menggunakan pencarian ekstrem sebagai teknik kontrol adaptif untuk memprogram teknologi yang membantu mengarahkan atau mengarahkan sistem untuk fungsi maksimal. Ini telah digunakan untuk mengontrol dan mengoptimalkan aliran bahan bakar dalam sistem propulsi penerbangan, pembakaran untuk mesin dan tungku gas, dan sistem pengereman anti-lock pada mobil. Pada dasarnya, algoritme pencarian ekstrem sistem melacak suar sinyal yang dipancarkan oleh sumber, kata Mahmoud Abdelgalil, yang mempelajari dinamika dan kontrol di UC Irvine dan merupakan penulis utama makalah ini.
Ketika Anda memikirkan desain robot, seks landak laut bukanlah yang terlintas dalam pikiran. Tapi Abdelgalil mengatakan sel reproduksi mereka adalah model biologis yang berguna dan dipelajari dengan baik. Untuk menemukan sel telur, sperma bulu babi menggunakan kemotaksis, di mana sel bergerak sebagai respons terhadap rangsangan kimia. Telur landak laut secara khusus mengeluarkan senyawa yang disebut peptida pengaktif sperma, yang berinteraksi dengan flagel sperma, mengendalikan bagaimana ia berdenyut. Ini membelokkan dan membelokkan arah sperma pada jalur menuju sel telur.
“Sperma tidak memiliki GPS,” kata Abdelgalil. “Mereka sebelumnya tidak tahu di mana telur itu berada. Jadi mereka mengukur konsentrasi lokal [of the peptide] pada posisi saat ini, kemudian mereka menggunakan informasi tersebut dan bergerak ke arah peningkatan tingkat konsentrasi—yang kami sebut sebagai arah gradien konsentrasi.”
Itu sama untuk robot pencari ekstrem: Ia tidak memiliki koordinat atau informasi lain tentang lokasi target — yang ia tahu hanyalah ia dapat mengukur dan mengikuti sinyal dinamis dari posisi saat ini. Abdelgalil mendapat ide untuk melihat sperma bulu babi ketika dia melihat makalah yang diterbitkan sebelumnya yang merinci perilaku mereka di bawah mikroskop. Lintasan sperma tampak hampir identik dengan model robot unicycle pencari ekstrem yang diusulkan, sebuah mesin sederhana yang hanya dapat mengontrol orientasinya dan bergerak ke arah depan.
“Begitu saya melihat kedua gambar itu, saya menyadari bahwa ini kurang lebih sama,” katanya. Jadi, dalam studi baru, Abdelgalil dan rekan-rekannya mengilustrasikan bagaimana komponen kunci dari strategi navigasi sperma landak laut menyerupai ciri khas pencarian ekstrem.
Strategi pencarian yang sangat efektif ini, yang berkembang dari waktu ke waktu, dapat berguna dalam menyempurnakan desain dan teknologi sistem di masa mendatang. Algoritme pencarian ekstrem dengan sensor minimal dapat membantu mengarahkan robot mini, seperti yang sedang diuji untuk penghantaran obat yang ditargetkan. Kelompok penelitian telah mengeksplorasi desain mikrorobot pengiriman obat yang memanfaatkan sinyal eksternal, kata Abdelgalil. Misalnya, Abdelgalil menyebutkan bahwa para peneliti di ETH Zurich di Swiss mengembangkan robot kecil yang terinspirasi oleh larva bintang laut yang dipandu oleh gelombang suara dan suatu hari nanti mungkin berguna dalam mengantarkan obat langsung ke sel-sel tertentu yang sakit di dalam tubuh. “Saya berharap pekerjaan saya pada akhirnya akan diterapkan dalam mempelajari atau merancang robot mikro yang menggunakan pencarian ekstrim untuk menavigasi lingkungan secara mandiri dan menemukan lokasi yang tepat dari sel yang terinfeksi yang membutuhkan obat,” katanya.
[Related: What this jellyfish-like sea creature can teach us about underwater vehicles of the future]
Abdelgalil juga mencatat bahwa organisme lain tampaknya memiliki beberapa bentuk pencarian ekstrem, termasuk bakteri yang mencari makanan atau alga yang bergerak ke arah cahaya. “Kita bisa belajar dari perilaku mikroorganisme ini untuk merancang robot kita yang berperilaku dengan cara yang terdefinisi dengan baik ketika tidak ada yang memerintah mereka,” katanya. “Ini dapat meningkatkan otonomi robot kami yang dioperasikan secara tradisional.”