幾千年來，人類出於各種原因使用繩結–綁繩、編髮或織布。但是有一些生物更擅長打結，而且在解開結的時候也更出色–更快。微小的加利福尼亞黑蟲錯綜複雜地糾結在一起，形成球狀物，使它們能夠執行廣泛的生物功能。但是，最引人注目的是，雖然這些蠕蟲糾纏了幾分鐘，但它們可以在短短幾毫秒內解開，在捕食者的威脅出現的第一個跡像中逃脫。

佐治亞理工學院化學和生物分子工程學院的助理教授Saad Bhamla想準確地了解黑蟲是如何執行它們的纏結和解纏動作的。為了調查，Bhamla和佐治亞理工學院的一個研究小組與麻省理工學院的數學家進行了聯繫。他們的研究於4月27日發表在《科學》雜誌上，可能會影響到纖維狀的變形機器人的設計，這種機器人可以自我組裝並以快速和可逆的方式移動。這項研究還強調了跨學科合作如何能夠回答不同領域中一些最令人困惑的問題。

Bhamla和Bhamla實驗室的研究生Harry Tuazon對超高速運動和集體行為的科學非常著迷，多年來一直在研究加州黑蟲，觀察它們如何利用集體運動形成圓球，然後散開。

“我們想了解蠕蟲如何改變它們的運動動力學以實現纏結和超快速解纏的確切力學原理，”Bhamla說。”另外，這些不是像繩子、以太網電纜或意大利麵條那樣的典型絲線–這些是失去平衡的活的、活躍的纏結，這給這個問題增加了一個迷人的層次。”

一團蟲子以超快的速度解開。資料來源：佐治亞理工學院

該研究的共同第一作者Tuazon收集了他與蠕蟲的實驗視頻，包括蠕蟲集體散佈機制的宏觀視頻和一隻、兩隻、三隻和幾隻蠕蟲的微觀視頻，以捕捉它們的運動。

Tuazon說：”當我把紫外光對準蠕蟲結時，我很震驚，它們如此爆炸性地散開。但是為了了解這種複雜而令人著迷的機動性，我開始只用幾隻蠕蟲進行實驗。”

Bhamla和Tuazon找到麻省理工學院的數學家Jörn Dunkel和Vishal Patil（當時是研究生，現在是斯坦福大學的博士後）談合作。在看過Tuazon的視頻後，這兩位專門研究結和拓撲學的理論家急於加入。

論文的共同第一作者Patil說：”結和纏結是一個迷人的領域，物理學和力學與一些非常有趣的數學相遇。這些蠕蟲似乎是研究由絲線組成的系統中的拓撲學原理的一個很好的遊樂場。”

Patil的一個關鍵時刻是當他觀看了Tuazon的視頻，視頻中的一隻蠕蟲被激起了逃跑反應，這只蠕蟲以八字形模式移動，當它的身體跟著轉動時，它的頭會以順時針和逆時針的方式旋轉。

一隻加利福尼亞黑蟲以螺旋形步態移動。資料來源：佐治亞理工學院

研究人員認為這種螺旋狀步態模式可能在蠕蟲的糾纏和解纏能力中發揮了作用。但是，為了對蠕蟲的糾結結構進行數學量化，並建立它們如何相互編織的模型，研究人員需要實驗數據。

Bhamla和Tuazon開始尋找一種成像技術，使他們能夠窺視蟲體內部，以便收集更多的數據。經過多次試驗和錯誤，他們找到了一個意想不到的解決方案：超聲波。通過將一個活的蠕蟲球放在無毒的果凍中，並使用一台商業超聲波機，他們終於能夠觀察到復雜的蠕蟲糾結的內部。

Tuazon說：”捕捉活體蟲卵的內部結構是一個真正的挑戰。我們在幾個月裡嘗試了各種成像技術，包括X射線、共焦顯微鏡和斷層掃描，但沒有一個能給我們帶來我們需要的實時分辨率。最終，超聲被證明是解決方案。”

在分析了超聲視頻之後，圖阿松和巴姆拉實驗室的其他研究人員費盡心思地用手跟踪蠕蟲的運動，為Patil和鄧克爾繪製了46000多個數據點，用於理解運動背後的數學原理。

解釋纏結和解纏結

要回答蠕蟲如何快速解纏的問題，需要結合力學和拓撲學。Patil建立了一個數學模型來解釋螺旋狀的步態如何導致糾纏和解纏的發生。通過使用模擬框架測試該模型，Patil能夠創建一個蠕蟲纏結的可視化。

該模型預測，每隻蠕蟲至少與另外兩隻蠕蟲形成糾纏，揭示了為什麼蠕蟲群如此有凝聚力。Patil隨後表明，同一類螺旋狀的步態可以解釋它們如何解開糾纏。模擬結果與真實的超聲圖像驚人地相似，並表明蠕蟲的交替螺旋波運動使糾纏和超快的解纏逃脫機制得以實現。

“引人注目的是這些纏結的結構極其複雜。它們是無序和復雜的結構，但是這些活的蠕蟲結構能夠操縱這些結來實現關鍵功能，”Patil說。

雖然幾十年來人們已經知道蠕蟲以螺旋狀步態移動，但從來沒有人把這種運動和它們如何逃脫聯繫起來。研究人員的工作揭示了單個蠕蟲的機械運動如何決定它們的突發集體行為和拓撲動力學。這也是第一個關於主動糾纏和解纏的數學理論。

“這一觀察可能看起來只是一個好奇心，但其影響是深遠的。”美國國家科學基金會項目主任、南加州大學機械工程系教授伊娃-堪索說：”活性絲在生物結構中無處不在，從DNA鏈到整個生物體。”

模擬蠕蟲解結（左）和糾結（右）。資料來源：麻省理工學院

“這些絲狀物有無數種功能，可以為工程中的多功能結構和材料提供一個一般的圖案，這些結構和材料可以根據需要改變特性。就像蠕蟲花束表現出非凡的糾纏和解纏能力一樣，未來的生物啟發材料也可能通過利用力學、幾何學和活動之間的相互作用來挑戰傳統結構的極限。”

展望未來

研究人員的模型展示了不同類型的纏結的優勢，這可能允許將廣泛的行為編入多功能的絲狀材料，從聚合物到變形的軟機器人系統。許多公司如3M，已經在產品中使用由纏結纖維製成的非織造材料，包括繃帶和N95口罩。蠕蟲可以激發新的非織造材料和拓撲移位物質。

Bhamla說：”主動變形的拓撲物質目前是科幻小說的內容。想像一下，一種由數百萬根弦狀細絲組成的柔軟的非織造材料，可以根據指令糾結和解開，形成一種智能粘性繃帶，隨著傷口的癒合而變形，或者一種智能過濾材料，改變孔隙拓撲結構以捕獲不同大小或化學性質的顆粒。這種可能性是無窮無盡的”。