精子具有独特的方向感。许多物种的生殖细胞都能找到卵子，无论路途多么遥远或艰难。以海胆的繁殖为例。首先，雄性和雌性会将精子和卵子的云团释放到海水中。为了在开阔的水域中找到并使卵子受精，这些棘皮海底生物的精子会沿着化学面包屑的踪迹前进。工程师们正借鉴这种巧妙的吸引方法，来设计更智能、能自行寻找目的地的机器人。
12 月 9 日发表在《Physical Review E》杂志上的一项研究，详细阐述了海胆精子的轨迹与使用一种名为极值搜索的实时搜索方法的计算机系统之间的相似之处。来自加州大学欧文分校和密歇根大学的工程师们建立了一个精子轨迹的数学模型，以更好地理解其行为。据作者称，研究海胆的生物学特性有助于设计能够以同样方式追踪信号源的微型机器人。
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自 20 世纪 20 年代以来，工程师们一直使用极值搜索作为一种自适应控制技术，来编程技术以引导或控制系统实现最大功能。它已被用于控制和优化飞行推进系统中的燃油流量、发动机和燃气炉的燃烧，以及汽车的防抱死制动系统。加州大学欧文分校研究动力学和控制的论文主要作者 Mahmoud Abdelgalil 表示，从根本上讲，系统的极值搜索算法会追踪信号源发出的信号信标。
当您想到机器人设计时，海胆的繁殖方式可能不是首先浮现在脑海中的。但 Abdelgalil 说，它们的生殖细胞是一个有用且被广泛研究的生物学模型。为了找到卵子，海胆精子会利用趋化性，即细胞响应化学刺激而移动。海胆卵子会特异性地分泌一种称为精子激活肽的化合物，该化合物与精子的鞭毛相互作用，控制其摆动方式。这使得精子的方向弯曲并朝卵子前进。
Abdelgalil 说：“精子没有 GPS。它们事先不知道卵子的位置。所以它们测量当前位置的（肽）局部浓度，然后利用这些信息朝着浓度增加的方向移动——我们称之为浓度梯度方向。”
对于极值搜索机器人来说也是如此：它没有坐标或关于目标位置的其他信息——它只知道它可以测量并遵循当前位置的动态信号。Abdelgalil 在看到一篇之前发表的关于海胆精子在显微镜下行为的论文时，产生了研究海胆精子的想法。精子的轨迹看起来与一种名为极值搜索单轮机器人（一种只能控制其方向并向前移动的简单机器）的假想模型几乎完全相同。
他说：“我一看到这两张图片，就意识到它们大致是相同的。”因此，在这项新研究中，Abdelgalil 和他的同事们阐述了海胆精子导航策略的关键组成部分如何类似于极值搜索的标志性特征。
这种经过大自然长期演化而来的、极其有效的搜索策略，可能有助于微调未来的系统设计和技术。拥有最少传感器的极值搜索算法可以帮助引导微型机器人，例如那些正在为靶向药物输送而测试的机器人。Abdelgalil 说，研究小组已经探索了利用外部信号的药物输送微型机器人设计。例如，Abdelgalil 提到，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种受海星幼体启发的微型机器人，该机器人由声波引导，未来可能用于将药物直接输送到体内特定的病变细胞。“我希望我的工作最终能够应用于研究或设计采用极值搜索来自主导航环境并找到需要药物的确切感染细胞位置的微型机器人，”他说。
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Abdelgalil 还指出，其他生物似乎也具有某种形式的极值搜索，包括寻找食物的细菌或朝向光源移动的藻类。“我们可以借鉴这些微生物的行为来设计我们的机器人，使其在没有人指挥的情况下也能以明确的方式运行，”他说。“这可以提高我们更传统操作机器人的自主性。”
