而更令人好奇的是，這種集體的“活晶體”可以表現(xiàn)出奇特的彈性，這是一種奇特的屬性，單個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)--在這種情況下，胚胎--會(huì)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中引發(fā)明顯更大的漣漪。

據(jù)科學(xué)家們稱，這種波紋晶體結(jié)構(gòu)可以持續(xù)相對(duì)較長的時(shí)間，然后隨著單個(gè)胚胎的成熟而消散。

【資料圖】

“這絕對(duì)是了不起的--這些胚胎看起來就像美麗的玻璃珠，它們來到表面形成這種完美的晶體結(jié)構(gòu)，”來自MIT的副教授Nikta Fakhri說道，“就像一群鳥可以避開捕食者，或因?yàn)樗鼈兛梢越M織在這些大型結(jié)構(gòu)中而飛得更平穩(wěn)，也許這種晶體結(jié)構(gòu)可能有一些我們還沒有意識(shí)到的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

她表示，除了海星之外，這種自我組裝的、波紋狀的晶體組合可以作為一種設(shè)計(jì)原則來應(yīng)用，如在建造集體移動(dòng)和功能的機(jī)器人群中。

“想象一下，建立一個(gè)柔軟的、旋轉(zhuǎn)的機(jī)器人群，它們可以像這些胚胎一樣相互作用，”Fakhri說道，“它們可以被設(shè)計(jì)成自我組織，在海中蕩漾和爬行，做有用的工作。這些相互作用開辟了一個(gè)新的有趣的物理學(xué)探索范圍?！?/p>

旋轉(zhuǎn)在一起

Fakhri稱該小組對(duì)海星晶體的觀察是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)。她的團(tuán)隊(duì)一直在研究海星胚胎如何發(fā)育，特別是胚胎細(xì)胞在最早期階段如何分裂?！昂Ｐ鞘茄芯堪l(fā)育生物學(xué)的最古老的模型系統(tǒng)之一，因?yàn)樗鼈冇写蟮募?xì)胞且是光學(xué)透明?！?/p>

科學(xué)家們正在觀察胚胎如何在成熟時(shí)游動(dòng)。一旦受精，胚胎就會(huì)生長和分裂并形成一個(gè)外殼，然后長出微小的毛發(fā)或纖毛以推動(dòng)胚胎在水中游動(dòng)。在某一點(diǎn)上，纖毛協(xié)調(diào)地將胚胎旋轉(zhuǎn)到一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)方向。該小組成員之一Tzer Han Tan注意到，當(dāng)胚胎游到水面時(shí)它們繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并朝向?qū)Ψ健?/p>

“偶爾，一小群會(huì)聚集在一起，有點(diǎn)像在跳舞。而且事實(shí)證明，還有其他的海洋生物也會(huì)做同樣的事情，比如一些藻類。因此，我們想，這很有趣。如果你把它們很多放在一起會(huì)發(fā)生什么呢？”Fakhri說道。

在新研究中，F(xiàn)akhri和她的同事們讓數(shù)以千計(jì)的海星胚胎受精然后看著它們游到淺盤的表面。

Fakhri指出：“一個(gè)盤子里有成千上萬的胚胎，它們開始形成這種晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)而可以長得非常大。我們稱它們?yōu)榫w，因?yàn)槊總€(gè)胚胎都被六個(gè)相鄰的胚胎包圍以形成一個(gè)六邊形，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中重復(fù)出現(xiàn)，這跟石墨烯中的晶體結(jié)構(gòu)非常相似?！?/p>

抖動(dòng)的晶體

為了了解什么可能觸發(fā)胚胎像晶體一樣組裝，研究人員首先研究了單個(gè)胚胎的流場或水在胚胎周圍流動(dòng)的方式。為了做到這一點(diǎn)，他們將單個(gè)海星的胚胎放在水中，然后將更小的珠子加入到混合物中并拍攝珠子在水面上圍繞胚胎流動(dòng)的圖像。

根據(jù)珠子的方向和流動(dòng)，研究人員能繪制胚胎周圍的流場。他們發(fā)現(xiàn)，胚胎表面的纖毛以這樣的方式跳動(dòng)從而使胚胎向一個(gè)特定的方向旋轉(zhuǎn)并在胚胎的兩邊形成漩渦，然后吸引較小的珠子進(jìn)來。

Mietke是MIT Dunkel應(yīng)用數(shù)學(xué)組的博士后研究員，其將這個(gè)流場從單個(gè)胚胎中處理成許多胚胎的模擬并將模擬向前運(yùn)行，以此來看看它們將如何表現(xiàn)。該模型產(chǎn)生了跟研究小組在其實(shí)驗(yàn)中觀察到的相同晶體結(jié)構(gòu)，另外還證實(shí)了胚胎的結(jié)晶行為很可能是它們的流體動(dòng)力相互作用和手性的結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們還觀察到，一旦一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)形成就會(huì)持續(xù)數(shù)天，在這段時(shí)間內(nèi)，自發(fā)的波紋開始在晶體上傳播。

“我們可以看到這個(gè)晶體在很長的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)和抖動(dòng)，這絕對(duì)是出乎意料的。你會(huì)期望這些漣漪迅速消失，因?yàn)樗钦承缘?，?huì)抑制這些振蕩。這告訴我們?cè)撓到y(tǒng)有某種奇怪的彈性行為，”Mietke說道。

自發(fā)的、持久的波紋可能是單個(gè)胚胎之間相互作用的結(jié)果，這些胚胎像互鎖的齒輪一樣相互旋轉(zhuǎn)。隨著數(shù)以千計(jì)的齒輪在晶體形成中旋轉(zhuǎn)，許多單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)可能在整個(gè)結(jié)構(gòu)中掀起一個(gè)更大的集體運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在調(diào)查其他生物如海膽是否表現(xiàn)出類似的結(jié)晶行為。此外，他們還在探索這種自組裝結(jié)構(gòu)如何能在機(jī)器人系統(tǒng)中復(fù)制。