Come districare una palla di verme: i matematici risolvono un mistero intricato

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Come sa chiunque abbia mai svolto un filo di luci natalizie o districato una ciocca di capelli arruffati, sciogliere un nodo di fibre richiede molto più tempo che aggrovigliarlo in primo luogo.

Questo non è così per una specie astuta di verme della costa occidentale.

Trovato in paludi, stagni e altre acque poco profonde, i vermi neri della California (Lumbriculus variegatus) si attorcigliano e si arricciano l'uno attorno all'altro a migliaia, formando palline strettamente avvolte per diversi minuti. Di fronte a un predatore o ad un'altra minaccia percepita, i vermi possono districarsi all'istante, smontando il tremolante miscuglio in millisecondi.

Perplessi da come i vermi riescano a districare nodi così elaborati così rapidamente, i matematici del MIT hanno collaborato con i biofisici della Georgia Tech per studiare il comportamento nodoso dei vermi. Attraverso esperimenti e modelli matematici, il team ha ora individuato il meccanismo mediante il quale i vermi si aggrovigliano e si srotolano rapidamente. Le loro scoperte, pubblicate oggi su Science, potrebbero ispirare la progettazione di materiali e fibre veloci, reversibili e autoassemblanti.

"Possiamo trarre ispirazione da questi vermi per pensare a come manipolare i sistemi polimerici e filamentosi", afferma Vishal Patil, postdoc presso l'Università di Stanford, che ha sviluppato un modello matematico del comportamento dei vermi mentre era studente laureato presso il Dipartimento di Matematica del MIT. . "Si potrebbe pensare di progettare fibre tessute attive che potrebbero riorganizzarsi quando sono intasate o un robot intelligente che potrebbe cambiare la sua presa aggrovigliandosi e districandosi."

I coautori di Patil nello studio sono Jörn Dunkel, professore di matematica al MIT, e il co-primo autore Harry Tuazon, insieme a Emily Kaufman, Tuhin Chakrabortty, David Qin e M. Saad Bhamla della Georgia Tech.

Agganciato a un groviglio

Il gruppo di Bhamla studia vermi, insetti e altri organismi viventi e come il loro comportamento possa ispirare la progettazione di nuovi dispositivi e sistemi robotici. Tuazon, uno studente di dottorato in laboratorio, stava osservando i vermi neri della California nuotare in un acquario da laboratorio quando furono colpiti dalle notevoli capacità di aggrovigliare e districare dei vermi.

Il gruppo ha già scoperto che in natura i vermi si aggrovigliano come meccanismo protettivo e difensivo. Un grande nodo di vermi può impedire ai vermi interni di seccarsi in condizioni di siccità. Una palla di vermi può anche muoversi all'unisono, strisciando collettivamente lungo il fondo di un lago o di uno stagno. Quando avvertono la presenza di un predatore, i vermi riescono a districarsi in pochi millisecondi, disperdendosi in molte direzioni.

Chiedendosi cosa potrebbero fare i vermi per uscire da configurazioni così intricate, Bhamla ha ricordato uno studio condotto da Dunkel e dal suo gruppo al MIT. In quel lavoro, i matematici hanno ideato un modello che prevede la stabilità di un nodo, basato sulle torsioni e sugli incroci di vari segmenti annodati.

"Ho visto questo studio e ho pensato, mio ​​Dio, che questi principi matematici potrebbero essere adatti per essere applicati ai vermi", dice Bhamla, che ha contattato Dunkel e Patil per vedere se potevano fornire informazioni matematiche sull'annodamento dei vermi. Bhamla ha anche inviato ai matematici alcuni video girati nel laboratorio dei vermi aggrovigliati.

"Quando ci ha mostrato quei video, in particolare quelli dei vermi che si districavano, siamo rimasti affascinati", dice Patil. "Sappiamo intuitivamente che è davvero difficile districare le fibre. Il fatto che i vermi siano stati in grado di risolverlo ha dimostrato che c'era qualcosa di interessante in corso con questi grovigli che volevamo risolvere matematicamente."