几千年来，人类出于各种原因使用绳结--绑绳、编发或织布。但是有一些生物更擅长打结，而且在解开结的时候也更出色--更快。微小的加利福尼亚黑虫错综复杂地纠结在一起，形成球状物，使它们能够执行广泛的生物功能。但是，最引人注目的是，虽然这些蠕虫纠缠了几分钟，但它们可以在短短几毫秒内解开，在捕食者的威胁出现的第一个迹象中逃脱。
佐治亚理工学院化学和生物分子工程学院的助理教授Saad Bhamla想准确地了解黑虫是如何执行它们的缠结和解缠动作的。为了调查，Bhamla和佐治亚理工学院的一个研究小组与麻省理工学院的数学家进行了联系。他们的研究于4月27日发表在《科学》杂志上，可能会影响到纤维状的变形机器人的设计，这种机器人可以自我组装并以快速和可逆的方式移动。这项研究还强调了跨学科合作如何能够回答不同领域中一些最令人困惑的问题。
Bhamla和Bhamla实验室的研究生Harry Tuazon对超高速运动和集体行为的科学非常着迷，多年来一直在研究加州黑虫，观察它们如何利用集体运动形成圆球，然后散开。
"我们想了解蠕虫如何改变它们的运动动力学以实现缠结和超快速解缠的确切力学原理，"Bhamla说。"另外，这些不是像绳子、以太网电缆或意大利面条那样的典型丝线--这些是失去平衡的活的、活跃的缠结，这给这个问题增加了一个迷人的层次。"
一团虫子以超快的速度解开。资料来源：佐治亚理工学院
该研究的共同第一作者Tuazon收集了他与蠕虫的实验视频，包括蠕虫集体散布机制的宏观视频和一只、两只、三只和几只蠕虫的微观视频，以捕捉它们的运动。
Tuazon说："当我把紫外光对准蠕虫结时，我很震惊，它们如此爆炸性地散开。但是为了了解这种复杂而令人着迷的机动性，我开始只用几只蠕虫进行实验。"
Bhamla和Tuazon找到麻省理工学院的数学家Jörn Dunkel和Vishal Patil（当时是研究生，现在是斯坦福大学的博士后）谈合作。在看过Tuazon的视频后，这两位专门研究结和拓扑学的理论家急于加入。
论文的共同第一作者Patil说："结和缠结是一个迷人的领域，物理学和力学与一些非常有趣的数学相遇。这些蠕虫似乎是研究由丝线组成的系统中的拓扑学原理的一个很好的游乐场。"
Patil的一个关键时刻是当他观看了Tuazon的视频，视频中的一只蠕虫被激起了逃跑反应，这只蠕虫以八字形模式移动，当它的身体跟着转动时，它的头会以顺时针和逆时针的方式旋转。
一只加利福尼亚黑虫以螺旋形步态移动。资料来源：佐治亚理工学院
研究人员认为这种螺旋状步态模式可能在蠕虫的纠缠和解缠能力中发挥了作用。但是，为了对蠕虫的纠结结构进行数学量化，并建立它们如何相互编织的模型，研究人员需要实验数据。
Bhamla和Tuazon开始寻找一种成像技术，使他们能够窥视虫体内部，以便收集更多的数据。经过多次试验和错误，他们找到了一个意想不到的解决方案：超声波。通过将一个活的蠕虫球放在无毒的果冻中，并使用一台商业超声波机，他们终于能够观察到复杂的蠕虫纠结的内部。
Tuazon说："捕捉活体虫卵的内部结构是一个真正的挑战。我们在几个月里尝试了各种成像技术，包括X射线、共焦显微镜和断层扫描，但没有一个能给我们带来我们需要的实时分辨率。最终，超声被证明是解决方案。"
在分析了超声视频之后，图阿松和巴姆拉实验室的其他研究人员费尽心思地用手跟踪蠕虫的运动，为Patil和邓克尔绘制了46000多个数据点，用于理解运动背后的数学原理。
解释缠结和解缠结
要回答蠕虫如何快速解缠的问题，需要结合力学和拓扑学。Patil建立了一个数学模型来解释螺旋状的步态如何导致纠缠和解缠的发生。通过使用模拟框架测试该模型，Patil能够创建一个蠕虫缠结的可视化。
该模型预测，每只蠕虫至少与另外两只蠕虫形成纠缠，揭示了为什么蠕虫群如此有凝聚力。Patil随后表明，同一类螺旋状的步态可以解释它们如何解开纠缠。模拟结果与真实的超声图像惊人地相似，并表明蠕虫的交替螺旋波运动使纠缠和超快的解缠逃脱机制得以实现。
"引人注目的是这些缠结的结构极其复杂。它们是无序和复杂的结构，但是这些活的蠕虫结构能够操纵这些结来实现关键功能，"Patil说。
虽然几十年来人们已经知道蠕虫以螺旋状步态移动，但从来没有人把这种运动和它们如何逃脱联系起来。研究人员的工作揭示了单个蠕虫的机械运动如何决定它们的突发集体行为和拓扑动力学。这也是第一个关于主动纠缠和解缠的数学理论。
"这一观察可能看起来只是一个好奇心，但其影响是深远的。"美国国家科学基金会项目主任、南加州大学机械工程系教授伊娃-堪索说："活性丝在生物结构中无处不在，从DNA链到整个生物体。"
模拟蠕虫解结（左）和纠结（右）。资料来源：麻省理工学院
"这些丝状物有无数种功能，可以为工程中的多功能结构和材料提供一个一般的图案，这些结构和材料可以根据需要改变特性。就像蠕虫花束表现出非凡的纠缠和解缠能力一样，未来的生物启发材料也可能通过利用力学、几何学和活动之间的相互作用来挑战传统结构的极限。"
展望未来
研究人员的模型展示了不同类型的缠结的优势，这可能允许将广泛的行为编入多功能的丝状材料，从聚合物到变形的软机器人系统。许多公司如3M，已经在产品中使用由缠结纤维制成的非织造材料，包括绷带和N95口罩。蠕虫可以激发新的非织造材料和拓扑移位物质。
Bhamla说："主动变形的拓扑物质目前是科幻小说的内容。想象一下，一种由数百万根弦状细丝组成的柔软的非织造材料，可以根据指令纠结和解开，形成一种智能粘性绷带，随着伤口的愈合而变形，或者一种智能过滤材料，改变孔隙拓扑结构以捕获不同大小或化学性质的颗粒。这种可能性是无穷无尽的"。
