任何与乱成一团的耳机线搏斗过的人都知道解开缠结的线有多么困难。然而，对于加州黑虫来说，紧密的结根本不算什么。这些微小的蠕虫成千上万地扭结在一起，形成紧密堆积的团块，让人想起一叉子蠕动的意大利面。虽然这些缠结需要几分钟才能形成，但相互缠绕的黑虫可以在几毫秒内挣脱出来。
现在，科学家们终于理清了这些无腿逃生艺术家如何仅用简单的肌肉和神经元集合来无缝地从紧密的缠结中溜出来。“我们认为，如果蠕虫可以解决这个解开缠结的问题，我们也可以，”斯坦福大学的应用数学家维沙尔·帕蒂尔说。在今天发表在《科学》杂志上的一项研究中，帕蒂尔和他的同事使用了数学模拟来精确定位黑虫用来快速解开自身缠结的运动。
加州黑虫（Lumbriculus variegatus）只有几厘米长，很容易被忽视。然而，这些水生蠕虫是常见的鱼缸食物，体现了数量上的优势。为了保持水分或维持体温，从五条到五万条不等的黑虫相互混杂，形成扭动的团块，似乎直接出自怪兽电影。虽然这些缠结很紧密，但只要出现最早的捕食性潜水甲虫的迹象，这些肉质蠕虫就会向四面八方蠕动逃散。
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哈里·图阿宗，现在是佐治亚理工学院的生物工程博士生，当他观察到黑虫在实验室的培养皿中蠕动时，瞥见了这种近乎瞬间的反应。“我用紫外线照射一个蠕虫球，它突然爆炸了，”他说。“这太令人着迷了。”
图阿宗对这些蠕虫球着迷了，它们在几十毫秒内解开，仅为眨眼间的一小部分。他拍摄了单个蠕虫运动的显微镜视频，然后逐渐增加动物的数量，以增加蠕虫球的复杂性。为了解开这些蠕虫网背后的物理学原理，他与帕蒂尔合作，后者当时是麻省理工学院的博士生，专门研究结和其他复杂系统的几何学。
帕蒂尔在观看图阿宗拍摄的单个蠕虫对小电击做出反应的显微镜视频时，注意到了一些有趣的事情。当蠕虫对刺激做出反应时，它首先顺时针移动头部，然后改变方向，以重复的动作逆时针转动。这形成了一个八字形图案，称为交替螺旋波。
为了创建蠕虫螺旋步态的精确数学模型，帕蒂尔还需要观察单个蠕虫在缠结内部的运动方式。事实证明，这对图阿宗来说很困难，因为蠕虫球非常难以穿透。蠕虫浸没在水中，因此 X 射线证明是无效的。显微计算机断层扫描只能提供低分辨率的图像。最后，图阿宗确定该团队最好的选择是声音。他使用超声波机器创建了放置在明胶内的活蠕虫群的图像。
超声波图像使研究人员能够在个体蠕虫的运动上绘制超过 46,000 个数据点，这些蠕虫不断地与蠕动团中的其他蠕虫接触。帕蒂尔和他的同事创建了蠕虫运动的数学模型，并在缠结的三维模拟中运行它们。
研究人员发现，采用交替螺旋步态运动使蠕虫能够无缝地解开自身缠结。他们还发现，略微改变的运动，即无脊椎动物主要向一个方向螺旋式前进，有助于形成缠结。“如果在切换到另一个方向之前，它在一个方向上缠绕的时间更长，就会产生缠结行为，”帕蒂尔说。“如果蠕虫在顺时针和逆时针缠绕之间快速切换，就会产生解开缠结的行为。”
亚利桑那州立大学研究物理系统中缠结效应的数学家埃莱妮·帕纳吉奥图认为，这种运动的多功能性使蠕虫能够微调它们的缠结。“加州黑虫[表现出]这种最佳阈值，它们既可以紧密缠结，也可以快速解开，”帕纳吉奥图说，她没有参与这项新研究，但为《科学》杂志撰写了一篇相关的观点文章。如果它们扭曲过度，缠结就会变得太紧，蠕虫就会失去逃脱能力。如果它们扭曲得不够，就无法形成保护性缠结。
她认为类似的运动可以帮助解开各种复杂的结，这些结在自然界和人造世界中都无处不在。例如，缠结的细丝自然存在于从粗糙的根系网络到紧密缠绕的 DNA 链等一切事物中。人类长期以来一直使用缠结来制作绳索和编织织物。“研究人员不仅解释了自然界中这些蠕虫的行为，而且还创建了其他系统和环境中可能性的地图，”帕纳吉奥图说。
该团队认为，这些蠕虫的运动可能有助于研究人员对软机器人系统中的线状细丝进行编程，以主动变形。这可以创造出随着伤口愈合而改变形状的柔性绷带，或者可以微调以筛选出特定颗粒的水过滤器。
帕蒂尔认为证据就在蠕虫团中。“这些蠕虫为我们提供了缠结和解开缠结背后的一般原理，以及潜在的操纵其他系统的工具箱，”他说。“这不仅仅是一个数学模型，因为我们知道蠕虫可以做到这一点。”