螺旋缠绕生物结构的力学奥秘：魔角与力传递在蠕虫体壁中的机制研究

来自多领域的研究人员针对生物流体静力骨架的力学机制展开研究，通过建立包含力传递的精确理论模型，揭示了螺旋纤维缠绕角度（魔角54.7°）对圆柱形生物结构（如蠕虫体壁、触手等）应力分布、形状调控和机械优势的关键影响。该研究为理解动物运动、掘穴等行为的生物力学基础提供了新范式。

　　

自然界中许多生物结构（如乌贼触手、蚯蚓体节）呈现圆柱形流体静力骨架特征，其外壁由螺旋缠绕的纤维(Helically-wrapped fibers)加固。经典理论关注纤维角度对圆柱体体积变化的影响，而最新研究通过力学建模揭示：当纤维以54.7°魔角(Magic angle)交叉缠绕时，可完美平衡环向应力(Hoop stress)与纵向应力(Longitudinal stress)。在体积恒定条件下，偏离该角度会导致纤维拉伸储能，引发形状改变并产生轴向/径向外力。研究还发现短粗体节比细长体节具有更高的掘穴机械优势(Mechanical advantage)，而某些蠕虫的螺旋肌纤维可能通过能量储存机制动态调节力学输出。这些发现为理解管足运动、动脉搏动等生物力学现象提供了普适性框架。