I Lumbriculus variegatus sono dei piccolissimi vermetti neri – anche noti come “vermi neri della California” – capaci di intrecciarsi tra loro per diversi minuti formando inestricabili grovigli solitamente di forma rotonda. Queste “sfere” servono loro per svolgere un’ampia gamma di funzioni biologiche; quello che stupisce, però, è la loro abilità di sciogliere gli intricati nodi a cui danno luogo in maniera praticamente istantanea di fronte alla minaccia di un predatore.

Una complicata, ma stupefacente, coreografia che Saad Bhamla, ricercatore del Georgia Institute of Technology ha cercato di esplorare, per comprendere in che modo, esattamente, questi invertebrati riescono a aggrovigliarsi e sbrogliarsi così agilmente.
Un team composto da colleghi di Bhamla e da matematici del MIT è riuscito alla fine a pubblicare sulla rivista Science uno studio che potrebbe servire a progettare futuri robot “mutaforma” composti da fibre che si autoassemblano e si scompongono in modi veloci e reversibili.

Bhamla e Harry Tuazon, un altro membro del suo laboratorio, lavorano da anni nel campo della “fisica degli organismi ultraveloci”, di cui i vermi neri della California sono fulgidi rappresentanti. In particolare, si dedicano all’osservazione del modo in cui i vermi neri usano il movimento collettivo per formare “macchie” e poi disperdersi alla bisogna. Gli scienziati hanno filmato gruppi di numerosi lombrichi alle prese con i loro grovigli anche osservandoli alla luce ultravioletta. “Sono rimasto shockato dal modo esplosivo in cui i tanti vermetti, illuminati dai raggi UV, si disperdevano quasi istantaneamente, e così ho iniziato a condurre esperimenti più circoscritti in cui analizzavo solo pochi vermi” ha spiegato Tuazon.

I video di Tuazon hanno conquistato l’attenzione Jörn Dunkel e Vishal Patil, due matematici del MIT specializzati in nodi e topologia. “I nodi sono un’area affascinante in cui si incontrano fisica, meccanica e matematica – spiega Patil, co-autore dello studio – e i vermi sono stati un buon terreno su cui studiare i principi topologici dei sistemi costituiti da filamenti”.

Un momento chiave è stato quando è stato ripreso il comportamento di un singolo verme nella risposta di fuga: Patil ha notato che l’invertebrato si muoveva secondo uno schema a forma di otto, girando la testa in spirali in senso orario e antiorario, con il suo corpo che seguiva questo andamento.
I ricercatori hanno pensato allora che questo modello di andatura elicoidale potesse avere un ruolo nella capacità dei vermi di aggrovigliarsi e districarsi. Ma una conferma di questa teoria si poteva avere solo quantificando matematicamente i movimenti all’interno delle strutture delle matasse di vermi ed era alquanto complicato riuscire a documentarli e computarli.
La situazione di stallo è stata sbloccata dagli ultrasuoni: gli scienziati hanno infatti inserito un grumo di vermi vivi aggrovigliati all’interno di un blocco di gelatina non tossica e, usando una comune macchina a ultrasuoni, sono stati in grado di catturare i movimenti di questi insetti. Il risultato è stato il disegno di una mappa su cui sono stati tracciati oltre 46mila punti dati che rappresentavano i movimenti degli insetti, che sono stati usati per comprendere quale fosse la matematica delle loro azioni.
Combinazione meccanica e topologia, gli scienziati hanno quindi costruito un modello matematico che spiegasse come le andature elicoidali portano i vermi ad aggrovigliarsi e separarsi. Testando il modello utilizzando un framework di simulazione, la somiglianza con le immagini ecografiche reali era impressionante e mostrava che, effettivamente, e i movimenti alternati delle onde elicoidali dei vermi consentivano il meccanismo di fuga ultraveloce.
Sebbene sia noto da decenni che i vermi si muovono con un’andatura elicoidale, nessuno aveva mai stabilito finora una connessione tra quel movimento e il modo in cui fuggono. Il modello dei ricercatori dimostra i vantaggi di diversi “tipi” di grovigli, che potrebbero consentire la progettazione di un’ampia gamma di materiali multifunzionali simili a filamenti, dai polimeri ai sistemi robotici mutaforma.