흔들리는 벌레 매듭 뒤에 숨은 수학 ​​풀기

May 06, 2023

수천 년 동안 인간은 밧줄을 묶거나 머리를 땋거나 천을 짜는 등 다양한 목적으로 매듭을 사용해 왔습니다. 그러나 매듭을 묶는 데 더 능숙하고 매듭을 푸는 데 훨씬 뛰어나고 빠른 유기체가 있습니다.

작은 캘리포니아 검은벌레는 수천 마리가 복잡하게 얽혀 공 모양의 덩어리를 형성하여 광범위한 생물학적 기능을 수행할 수 있습니다. 그러나 무엇보다도 가장 놀라운 점은 벌레가 몇 분에 걸쳐 엉키는 동안 포식자의 위협의 첫 징후가 보이면 1000분의 1초 만에 엉킴을 풀 수 있다는 것입니다.

Saad Bhamla는 검은벌레가 어떻게 엉키고 풀리는 동작을 수행하는지 정확하게 이해하고 싶었습니다. 조사를 위해 Bhamla와 Georgia Tech의 연구진은 MIT의 수학자들과 협력했습니다. 사이언스(Science)에 발표된 그들의 연구는 빠르고 가역적인 방식으로 자가 조립되고 움직이는 섬유형 형태 변형 로봇의 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 연구는 또한 학제 간 협력이 서로 다른 분야에서 가장 난해한 질문에 어떻게 대답할 수 있는지 강조합니다.

초고속 운동과 집단 행동의 과학에 매료된 Bhamla와 Harry Tuazon은 수년 동안 캘리포니아 검은벌레를 연구하면서 이들이 어떻게 집단 운동을 통해 덩어리를 형성하고 흩어지는지 관찰해 왔습니다.

연구의 공동 제1저자인 Tuazon은 벌레의 집단적 분산 메커니즘에 대한 매크로 비디오와 그들의 움직임을 포착하는 1개, 2개, 3개 및 여러 개의 벌레에 대한 현미경 비디오를 포함하여 벌레를 사용한 실험에 대한 비디오를 수집했습니다.

Bhamla와 Tuazon은 MIT의 수학자 Jörn Dunkel과 Stanford University의 Vishal Patil에게 협력에 관해 접근했습니다. Tuazon의 영상을 본 후, 매듭과 위상수학을 전문으로 하는 두 이론가가 합류를 열망했습니다.

Bhamla와 Tuazon은 더 많은 데이터를 수집할 수 있도록 웜 덩어리 내부를 들여다볼 수 있는 이미징 기술을 찾기 시작했습니다. 많은 시행착오 끝에 그들은 예상치 못한 해결책에 도달했습니다. 바로 초음파였습니다. 살아있는 벌레 덩어리를 무독성 젤리에 넣고 상업용 초음파 기계를 사용하여 마침내 복잡한 벌레 엉킴의 내부를 관찰할 수 있었습니다.

초음파 비디오를 분석한 후, Bhamla 연구실의 Tuazon과 다른 연구원들은 손으로 벌레의 움직임을 공들여 추적하여 Patil과 Dunkel이 움직임 뒤에 숨은 수학을 이해하는 데 사용할 수 있도록 46,000개 이상의 데이터 포인트를 구성했습니다.

이번 연구를 지원한 미국 국립과학재단(National Science Foundation) 엔지니어링 부서의 프로그램 디렉터인 Eva Kanso는 "활성 필라멘트는 DNA 가닥부터 전체 유기체에 이르기까지 생물학적 구조 어디에나 존재하기 때문에 이러한 관찰의 의미는 광범위합니다."라고 말했습니다.

"이러한 필라멘트는 다양한 기능을 수행하며 요구에 따라 특성을 변경하는 다기능 구조 및 재료를 엔지니어링하기 위한 일반적인 모티프를 제공할 수 있습니다. 벌레 덩어리가 놀랍도록 엉키고 풀리는 기능을 수행하는 것처럼 미래의 생체 영감 재료는 다음을 활용하여 기존 구조의 한계를 뛰어 넘을 수 있습니다. 역학, 기하학 및 활동 간의 상호 작용."