几千年来，人类出于各种原因使用结——系绳子、编辫子头发或编织织物。但有些生物更善于打结，在解开结方面要好得多，也更快。

微小的加利福尼亚黑虫错综复杂地缠绕着数千只，形成球形斑点，使它们能够执行广泛的生物功能。但是，最引人注目的是，当蠕虫缠绕几分钟时，它们可以在短短几毫秒内解开，在捕食者威胁的第一个迹象时逃脱。

佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授萨阿德·巴姆拉(SaadBhamla)想要准确了解黑虫如何执行缠结和解开运动。为了进行调查，Bhamla和佐治亚理工学院的一组研究人员与麻省理工学院的数学家建立了联系。他们的研究发表在《科学》杂志上，可能会影响类似纤维的变形机器人的设计，这些机器人可以自我组装并以快速和可逆的方式移动。该研究还强调了跨学科合作如何回答不同领域中一些最令人困惑的问题。

捕获蠕虫blob的内部

Bhamla和Bhamla实验室的研究生HarryTuazon对超快运动和集体行为的科学着迷，多年来一直在研究加利福尼亚黑虫，观察它们如何利用集体运动形成斑点然后分散。

“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解开背后的确切机制，”Bhamla说。“此外，这些不仅仅是像绳子，以太网电缆或意大利面这样的典型细丝-这些是活的，活跃的缠结，不平衡，这为这个问题增加了一个迷人的层次。

该研究的共同第一作者Tuazon收集了他对蠕虫实验的视频，包括蠕虫集体扩散机制的宏观视频以及一个，两个，三个和几个蠕虫的微观视频，以捕捉它们的运动。

“当我将紫外线指向蠕虫斑点时，我感到震惊，它们如此爆炸性地分散，”Tuazon说。“但为了理解这种复杂而令人着迷的操作，我开始只用几条蠕虫进行实验。

Bhamla和Tuazon就合作事宜与麻省理工学院数学家JörnDunkel和VishalPatil(当时是研究生，现在是斯坦福大学的博士后研究员)进行了接触。在看了Tuazon的视频后，两位专门研究节点和拓扑学的理论家渴望加入。

“结和缠结是一个迷人的领域，物理和力学遇到了一些非常有趣的数学，”该论文的共同第一作者帕蒂尔说。“这些蠕虫似乎是研究由细丝组成的系统中拓扑原理的好游乐场。

帕蒂尔的一个关键时刻是，当他观看了图阿松的视频时，一只蠕虫被激怒到逃生反应中。帕蒂尔注意到蠕虫以八字形模式移动，随着身体的跟随，顺时针和逆时针螺旋转动头部。

研究人员认为，这种螺旋步态模式可能在蠕虫缠结和解开的能力中发挥作用。但是为了在数学上量化蠕虫缠结结构并模拟它们如何相互编织，Patil和Dunkel需要实验数据。

Bhamla和Tuazon着手寻找一种成像技术，使他们能够窥视蠕虫斑点的内部，以便他们可以收集更多数据。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。通过将活蠕虫斑点放入无毒果冻中并使用商用超声波机器，他们终于能够观察到复杂的蠕虫缠结的内部。

“捕获活蠕虫斑点的内部结构是一个真正的挑战，”Tuazon说。“我们尝试了几个月的各种成像技术，包括X射线，共聚焦显微镜和断层扫描，但没有一个能为我们提供所需的实时分辨率。最终，超声波被证明是解决方案。

在分析了超声波视频后，Bhamla实验室的Tuazon和其他研究人员煞费苦心地手工跟踪蠕虫的运动，为Patil和Dunkel绘制了超过46，000个数据点，用于理解运动背后的数学。

解释缠结和解开

回答蠕虫如何快速解开的问题需要力学和拓扑学的结合。帕蒂尔建立了一个数学模型来解释螺旋步态如何导致缠结和解开。通过使用模拟框架测试模型，Patil能够创建蠕虫缠结的可视化。

该模型预测，每条蠕虫与至少两条其他蠕虫形成纠结，揭示了为什么蠕虫斑点如此有凝聚力。帕蒂尔随后表明，同一类螺旋步态可以解释它们是如何解开的。模拟与真实的超声波图像相似，令人惊讶，并表明蠕虫的交替螺旋波运动使缠结和超快解开逃逸机制成为可能。

“令人惊讶的是，这些纠结的结构非常复杂。它们是无序和复杂的结构，但这些活的蠕虫结构能够操纵这些结的关键功能，“帕蒂尔说。

虽然几十年来人们都知道蠕虫以螺旋步态移动，但从来没有人将这种运动与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涌现集体行为和拓扑动力学。它也是第一个主动纠结和解开的数学理论。

“这一观察似乎只是一种好奇，但其影响是深远的。活性细丝在生物结构中无处不在，从DNA链到整个生物体，“美国国家科学基金会项目主任，南加州大学机械工程教授EvaKanso说。

“这些细丝具有无数的功能，可以为工程多功能结构和材料提供一般主题，这些结构和材料可以根据需要改变性能。正如蠕虫斑点表现出非凡的缠结和解开壮举一样，未来的生物启发材料也可能通过利用力学、几何形状和活动之间的相互作用来挑战传统结构的极限。

研究人员的模型展示了不同类型的缠结的优势，这可以允许将各种行为编程为多功能的细丝状材料，从聚合物到变形软机器人系统。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转移物质。

“主动变形拓扑物质目前是科幻小说的内容，”Bhamla说。“想象一下，一种柔软的无纺布材料由数百万根细丝制成，可以根据命令缠结和解开，形成一种智能粘性绷带，随着伤口愈合而变形，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。可能性是无穷无尽的。