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要求大多数人识别地球上最快的动物，他们会建议猎豹，猎鹰甚至是旗鱼。乔治亚理工学院助理教授萨德·巴姆拉(Saad Bhamla)希望加入Spirostomum ambiguum，这是一种微小的单细胞原生动物，能够实现快速加速，同时收缩它的蠕虫状体。
许多湖泊和池塘都很常见，Spirostomum通常使用称为纤毛的微小毛发。但它对速度的要求涉及极其迅速的加速，同时在受到惊吓时收缩身体。这种生物可以在几毫秒内将身体缩短60%以上，从4毫米扁平的缎带变成美式橄榄球的形状 - 所有这些都没有人类使用的那种肌肉。
它如何做到这一点，以及如何在不破坏脆弱的内部结构的情况下做到这一点，是Bhamla刚刚收到的为期四年的国家科学基金会(NSF)拨款的一部分。这些答案的物理和数学可以帮助推进纳米技术的发展，并加速新一代的机器人，这些机器人几乎不能用肉眼看到。
“作为工程师，我们喜欢看大自然如何应对重大挑战，”佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授Bhamla说。“我们一直在思考如何制作这些微小的东西，我们看到它们在自然界中肆虐。如果我们能够理解它们是如何工作的，也许信息可以跨越以填补小型机器人的空白，小型机器人可以快速移动而几乎不用能量。 “
人体肌肉依赖于肌动蛋白和肌球蛋白的活性，但像这种原生动物这样的小动物的运动归功于机械世界中更常见的超分子弹簧，闩锁和马达。
“如果他们只有肌动蛋白和肌球蛋白组成我们的肌肉，他们就无法产生足够的力来实际快速移动，”Bhamla补充说。“它们越小，它们就越快 - 达到每秒200米的平方。这真的不在图表之列。”
Bhamla拥有博士学位。在斯坦福大学的化学工程专业，他是一个研究非常小动物世界的研究小组的成员。他和他的合作者在池塘和湖泊中发现的单细胞生物挑战了他对单细胞意味着什么的期望。
“我早期的生物学训练表明，细胞只是简单的液体袋，不会做太多但组成更有趣的组织，”Bhamla说。“Spirostomum与我们习以为常的细胞完全不同。”
作为NSF联合分子细胞生物学(MCB)和生命物理系统(POLS)计划的一部分，Bhamla和他的学生正在使用数学和物理学的语言来描述Spirostomum的活动。
“例如，我们想知道活细胞加速的基本限制是什么，”他说。“我们想要绘制这个生物所做的一切，并在计算机中对其进行建模，采用工程方法。我们想要了解单个细胞如何实现如此显着的加速度并使用分子弹簧来放大其功率输出。”
研究人员学到的东西可能对未来的小型机器人有用，这些机器人无法利用这些技术进行大型机器的推进和抓取。除了制造非常小的机器人的简单机械挑战之外，工程师将不得不面对能量密度限制 - Spirostomum似乎已经克服了这些限制。
这么小的机器人也会相当脆弱，但是研究人员通过对原生动物进行凝视观察到的恰恰相反。
“它内部有细胞器，DNA和精细的细胞骨架成分，”Bhamla指出。“我们希望了解它们如何不被快速压缩损坏，因为内部压力必须迅速增加。这可能会促使我们了解真正强大的生物材料在极端压力和压力下的表现。”
Spirostomum等原生动物在水体中随处可见，NSF奖项的一部分将资助与K-12学生分享这个小小的世界。Bhamla已经与亚特兰大北部Forsyth县Lambert高中的科学教师Janet Standeven建立了合作关系。五名高中生今年夏天在佐治亚理工学院实验室工作，以了解有关微生物世界的更多信息。
“为了找到这些充满好奇和疯狂的细胞，你不需要走远，”Bhamla说。“我们只是去一个池塘，收集样品并在显微镜下观察它们。天空是你可以推动这一点的极限，而高中学生有很多能够得到正确的指导。”
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