Cơ lưỡi 'đẩy ra' của tắc kè hoa có thể mở ra một thế hệ công nghệ không gian và y tế mới

Tắc kè hoa nổi tiếng với khả năng thay đổi màu sắc và đôi mắt xoay độc lập, nhưng khả năng đáng kinh ngạc nhất của chúng lại nằm ở chiếc lưỡi. Với tốc độ phóng ra chỉ trong tích tắc, chiếc lưỡi này là một vũ khí săn mồi hoàn hảo.

Tưởng chừng như một khả năng độc nhất vô nhị, nhưng các nhà khoa học tại Đại học Nam Florida (USF) đã phát hiện ra rằng kỳ nhông, một loài vật có họ hàng xa, cũng sở hữu cơ chế búng lưỡi tốc độ cao tương tự.

Khám phá này, được công bố trên tạp chí Current Biology , không chỉ làm sáng tỏ một bí ẩn của thế giới tự nhiên mà còn mở ra một hướng đi hoàn toàn mới cho lĩnh vực kỹ thuật sinh học.

Nghiên cứu do nhà nghiên cứu 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 cả hai loài, dù sống trong những môi trường hoàn toàn khác nhau và chưa bao giờ gặp nhau trong tự nhiên, lại có chung một kiến trúc cơ học gần như giống hệt nhau 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 cho biết. Điều này cho thấy rằng cơ chế này không phụ thuộc vào các mô chuyên biệt hiếm gặp, mà là một giải pháp tiến hóa chung.

Cơ chế này tương tự như một chiếc ná cao su hay một chiếc máy bắn đá. Lưỡi và các cơ quan hỗ trợ hoạt động như một hệ thống tích trữ năng lượng. Trước khi phóng, các cơ bắp co lại, tích lũy thế năng đàn hồi trong mô và gân.

Khi đến thời điểm thích hợp, năng lượng này được giải phóng ngay lập tức, đẩy lưỡi về phía con mồi với tốc độ lên tới 4,9 mét/giây. Điều này lý giải tại sao cả hai loài đều có thể thực hiện những cú tấn công chớp nhoáng, vượt xa tốc độ co cơ thông thường.

Khám phá về cơ chế đơn giản nhưng mạnh mẽ này đã khơi dậy những ý tưởng ứng dụng đầy tham vọng. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng mô hình "ná cao su" này có thể dễ dàng được mô phỏng bằng các vật liệu dẻo. "Cơ chế này có thể thích ứng với nhiều kích cỡ khác nhau và có thể được chế tạo bằng vật liệu mềm hoặc dẻo", Yu Zeng giải thích. Khả năng này mở ra cánh cửa cho nhiều lĩnh vực, từ y sinh cho đến công nghệ không gian.

Các nhà khoa học đang thảo luận với các kỹ sư về việc phát triển các thiết bị y sinh để loại bỏ cục máu đông trong động mạch một cách hiệu quả và ít xâm lấn. Ở quy mô lớn hơn, cùng một nguyên lý có thể được sử dụng để tạo ra các công cụ chuyên dụng cho cứu hộ mảnh vỡ và thu hồi mảnh vỡ vũ trụ trong môi trường không trọng lực. Tốc độ, độ chính xác và khả năng kiểm soát là những yếu tố then chốt cho các ứng dụng này, và mô hình sinh học của tắc kè hoa đã cung cấp một bản thiết kế hoàn hảo.

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 kiểm soát là hoàn toàn khả thi. Điều này giúp việc sản xuất và bảo trì các thiết bị kỹ thuật này trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.

Bước tiếp theo của nghiên cứu sẽ tập trung vào giai đoạn chuyển động thứ hai của chiếc lưỡi: sự co lại nhanh chóng và chính xác sau khi phóng ra. Việc hiểu được cách động vật giảm tốc và thu hồi lưỡi sẽ cung cấp thêm dữ liệu quan trọng để thiết kế các công cụ có thể triển khai, đảm bảo sự trở về vị trí ban đầu được kiểm soát và không gây tổn hại.

Nghiên cứu này là một ví dụ điển hình cho xu hướng "cảm hứng sinh học" (bio-inspiration), tức là phát triển các vật liệu và thiết bị mới dựa trên những giải pháp đã tồn tại trong thế giới tự nhiên.

Giáo sư Stephen Durban kết luận: "Sau nhiều năm tập trung nghiên cứu sinh học của những loài động vật này, thật sự đáng mừng 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 được 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 lời nhắc nhở 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, chờ đợi chúng ta khám phá.