任何與亂成一團的耳機線搏鬥過的人都知道解開纏結的線有多麼困難。然而，對於加州黑蟲來說，緊密的結根本不算什麼。這些微小的蠕蟲成千上萬地扭結在一起，形成緊密堆積的團塊，讓人想起一叉子蠕動的義大利麵。雖然這些纏結需要幾分鐘才能形成，但相互纏繞的黑蟲可以在幾毫秒內掙脫出來。
現在，科學家們終於理清了這些無腿逃生藝術家如何僅用簡單的肌肉和神經元集合來無縫地從緊密的纏結中溜出來。“我們認為，如果蠕蟲可以解決這個解開纏結的問題，我們也可以，”斯坦福大學的應用數學家維沙爾·帕蒂爾說。在今天發表在《科學》雜誌上的一項研究中，帕蒂爾和他的同事使用了數學模擬來精確定位黑蟲用來快速解開自身纏結的運動。
加州黑蟲（Lumbriculus variegatus）只有幾釐米長，很容易被忽視。然而，這些水生蠕蟲是常見的魚缸食物，體現了數量上的優勢。為了保持水分或維持體溫，從五條到五萬條不等的黑蟲相互混雜，形成扭動的團塊，似乎直接出自怪獸電影。雖然這些纏結很緊密，但只要出現最早的捕食性潛水甲蟲的跡象，這些肉質蠕蟲就會向四面八方蠕動逃散。
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哈里·圖阿宗，現在是佐治亞理工學院的生物工程博士生，當他觀察到黑蟲在實驗室的培養皿中蠕動時，瞥見了這種近乎瞬間的反應。“我用紫外線照射一個蠕蟲球，它突然爆炸了，”他說。“這太令人著迷了。”
圖阿宗對這些蠕蟲球著迷了，它們在幾十毫秒內解開，僅為眨眼間的一小部分。他拍攝了單個蠕蟲運動的顯微鏡影片，然後逐漸增加動物的數量，以增加蠕蟲球的複雜性。為了解開這些蠕蟲網背後的物理學原理，他與帕蒂爾合作，後者當時是麻省理工學院的博士生，專門研究結和其他複雜系統的幾何學。
帕蒂爾在觀看圖阿宗拍攝的單個蠕蟲對小電擊做出反應的顯微鏡影片時，注意到了一些有趣的事情。當蠕蟲對刺激做出反應時，它首先順時針移動頭部，然後改變方向，以重複的動作逆時針轉動。這形成了一個八字形圖案，稱為交替螺旋波。
為了建立蠕蟲螺旋步態的精確數學模型，帕蒂爾還需要觀察單個蠕蟲在纏結內部的運動方式。事實證明，這對圖阿宗來說很困難，因為蠕蟲球非常難以穿透。蠕蟲浸沒在水中，因此 X 射線證明是無效的。顯微計算機斷層掃描只能提供低解析度的影像。最後，圖阿宗確定該團隊最好的選擇是聲音。他使用超聲波機器建立了放置在明膠內的活蠕蟲群的影像。
超聲波影像使研究人員能夠在個體蠕蟲的運動上繪製超過 46,000 個數據點，這些蠕蟲不斷地與蠕動團中的其他蠕蟲接觸。帕蒂爾和他的同事建立了蠕蟲運動的數學模型，並在纏結的三維模擬中執行它們。
研究人員發現，採用交替螺旋步態運動使蠕蟲能夠無縫地解開自身纏結。他們還發現，略微改變的運動，即無脊椎動物主要向一個方向螺旋式前進，有助於形成纏結。“如果在切換到另一個方向之前，它在一個方向上纏繞的時間更長，就會產生纏結行為，”帕蒂爾說。“如果蠕蟲在順時針和逆時針纏繞之間快速切換，就會產生解開纏結的行為。”
亞利桑那州立大學研究物理系統中纏結效應的數學家埃萊妮·帕納吉奧圖認為，這種運動的多功能性使蠕蟲能夠微調它們的纏結。“加州黑蟲[表現出]這種最佳閾值，它們既可以緊密纏結，也可以快速解開，”帕納吉奧圖說，她沒有參與這項新研究，但為《科學》雜誌撰寫了一篇相關的觀點文章。如果它們扭曲過度，纏結就會變得太緊，蠕蟲就會失去逃脫能力。如果它們扭曲得不夠，就無法形成保護性纏結。
她認為類似的運動可以幫助解開各種複雜的結，這些結在自然界和人造世界中都無處不在。例如，纏結的細絲自然存在於從粗糙的根系網路到緊密纏繞的 DNA 鏈等一切事物中。人類長期以來一直使用纏結來製作繩索和編織織物。“研究人員不僅解釋了自然界中這些蠕蟲的行為，而且還建立了其他系統和環境中可能性的地圖，”帕納吉奧圖說。
該團隊認為，這些蠕蟲的運動可能有助於研究人員對軟機器人系統中的線狀細絲進行程式設計，以主動變形。這可以創造出隨著傷口癒合而改變形狀的柔性繃帶，或者可以微調以篩選出特定顆粒的水過濾器。
帕蒂爾認為證據就在蠕蟲團中。“這些蠕蟲為我們提供了纏結和解開纏結背後的一般原理，以及潛在的操縱其他系統的工具箱，”他說。“這不僅僅是一個數學模型，因為我們知道蠕蟲可以做到這一點。”