Buzz
Nghiên cứu đột phá của Đại học Nam Florida về công nghệ sinh học liên quan đến cơ lưỡi tắc kè hoa đang mang đến những cơ hội đổi mới chưa từng thấy trong công nghệ hiện đại.
Tắc kè hoa nổi bật với khả năng thay đổi màu sắc và mắt xoay độc lập, nhưng đặc điểm ấn tượng nhất chính là chiếc lưỡi phóng ra với tốc độ siêu nhanh, trở thành vũ khí săn mồi hiệu quả.
Mặc dù tưởng như là đặc tính độc nhất vô nhị, nhưng các nhà khoa học tại Đại học Nam Florida (USF) đã phát hiện ra rằng loài kỳ nhông, một người họ hàng xa của tắc kè hoa, cũng sở hữu cơ chế phóng lưỡi với tốc độ cao tương tự.
Khám phá này, được công bố trên tạp chí Current Biology , không chỉ giải đáp một bí ẩn của tự nhiên mà còn mở ra hướng phát triển mới cho ngành kỹ thuật sinh học.
Công trình nghiên cứu đột phá về cơ lưỡi của tắc kè hoa và kỳ nhông đã chỉ ra một cơ chế sinh học độc đáo, hứa hẹn tạo ra những bước tiến lớn trong y học và công nghệ không gian. Những phát hiện này chứng minh cách tự nhiên giải quyết những vấn đề phức tạp, và giờ đây, con người đang ứng dụng chúng vào thực tiễn.
Nghiên cứu do nhà khoa học sau tiến sĩ Yu Zeng và giáo sư Sinh học Tích hợp Stephen Durban dẫn đầu, đã phân tích dữ liệu hình ảnh được thu thập trong hơn một thập kỷ. Họ phát hiện ra rằng, dù sống trong môi trường hoàn toàn khác biệt và chưa bao giờ gặp nhau trong tự nhiên, cả hai loài lại có một cấu trúc cơ học gần như giống hệt để phóng lưỡi.
"Điều đáng ngạc nhiên là chúng sử dụng cùng một mô, gân và xương giống như các loài động vật có xương sống khác", Yu Zeng chia sẻ. Phát hiện này cho thấy cơ chế này không phụ thuộc vào các mô hiếm có, mà là một giải pháp tiến hóa chung cho tất cả.
Cơ chế này có thể so sánh với một chiếc ná cao su hay máy bắn đá. Lưỡi cùng các cơ quan hỗ trợ hoạt động như một hệ thống tích lũy năng lượng, trong đó các cơ co lại, dự trữ thế năng đàn hồi trong mô và gân trước khi phóng.
Khi đến thời điểm thích hợp, năng lượng này được giải phóng tức thì, đẩy lưỡi về phía con mồi với tốc độ lên tới 4,9 mét/giây. Điều này giải thích tại sao cả hai loài có thể thực hiện những đòn tấn công cực nhanh, vượt xa tốc độ co cơ thông thường.
Tắc kè hoa và kỳ nhông sinh sống trong những môi trường sinh thái khác nhau: tắc kè hoa ưa thích khí hậu ấm áp trên cây, trong khi kỳ nhông lại phát triển mạnh trong các khu vực ẩm ướt như lá mục và hang động.
Khám phá về cơ chế đơn giản mà mạnh mẽ này đã mở ra những ý tưởng ứng dụng sáng tạo. Nhóm nghiên cứu khẳng định mô hình 'ná cao su' này có thể được tái tạo bằng các vật liệu dẻo, phù hợp với nhiều kích cỡ và có thể chế tạo bằng vật liệu mềm hoặc dẻo. Yu Zeng cho biết, khả năng này tạo ra cơ hội lớn cho nhiều lĩnh vực, từ y sinh đến công nghệ không gian.
Các nhà khoa học hiện đang hợp tác với kỹ sư để phát triển các thiết bị y sinh có khả năng loại bỏ cục máu đông trong động mạch một cách hiệu quả và ít xâm lấn. Trên quy mô lớn hơn, nguyên lý này cũng có thể ứng dụng vào các công cụ cứu hộ vũ trụ, giúp thu hồi mảnh vỡ trong môi trường không trọng lực. Tốc độ, độ chính xác và khả năng kiểm soát là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng này, và mô hình sinh học của tắc kè hoa đã cung cấp một bản thiết kế lý tưởng.
Bằng cách tái cấu trúc các vật liệu sinh học thông thường, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng việc tích lũy năng lượng và giải phóng xung điện áp cao có thể kiểm soát được, giúp việc sản xuất và bảo trì các thiết bị này trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích lũy năng lượng và giải phóng xung điện áp cao có thể kiểm soát được thông qua việc tái cấu trúc các vật liệu sinh học thông thường. Tính năng đơn giản này được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong các thiết bị kỹ thuật dễ sản xuất và bảo trì, đồng thời đảm bảo tốc độ và độ chính xác.
Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu sẽ tập trung vào chuyển động thứ hai của chiếc lưỡi: sự co lại nhanh chóng và chính xác sau khi phóng ra. Việc hiểu rõ cách động vật giảm tốc và thu hồi lưỡi sẽ cung cấp thêm thông tin quan trọng cho việc thiết kế các công cụ có khả năng triển khai chính xác và an toàn.
Nghiên cứu này là một ví dụ tiêu biểu của xu hướng "cảm hứng sinh học" (bio-inspiration), tức là sáng tạo các vật liệu và thiết bị mới dựa trên các giải pháp đã có trong tự nhiên.
Giáo sư Stephen Durban kết luận: "Sau nhiều năm nghiên cứu sinh học các loài động vật này, thật sự là một thành tựu lớn khi có thể phát triển một lý thuyết thống nhất về chiếc lưỡi đặc biệt và khám phá tiềm năng ứng dụng của nó trong kỹ thuật. Thiên nhiên đã giải quyết những vấn đề này; giờ đây chúng ta phải học cách ứng dụng chúng".
Câu chuyện của tắc kè hoa và kỳ nhông là một minh chứng mạnh mẽ rằng những câu trả lời cho các thách thức kỹ thuật lớn nhất của chúng ta có thể đã tồn tại ngay trong thế giới tự nhiên, chỉ chờ đợi chúng ta khám phá.
