如何織出立體圖案?科學家找到了新演算法

2025年06月06日22:30:17 科學 8318
如何織出立體圖案?科學家找到了新演算法 - 天天要聞


撰文|k.r.卡拉韋(k. r. callaway) 

翻譯|巢栩嘉


在編織機或熟練編織工的針尖,一根絲線能變化出多種多樣的形態,從精美的圍巾到防彈背心皆有可能。但不同針法會導致織物朝不同方向捲曲——就如剪掉下擺的t恤,邊緣會自然翹起。織物中的張力能使二維織物扭曲成複雜三維形態,如何預判成品結構始終困擾著手工藝者與製造商。如今,在《美國科學院院刊》(pnas)上發表的一種數學模型,用物理學解開了這個謎團。


論文第一作者、美國德雷塞爾大學(drexel university)的物理學家牛樂融(lauren niu)解釋說,物理學家總在尋找控制材料行為的法則。法則一旦確立,「魔法就會降臨。」預測成為可能。


牛樂融與賓夕法尼亞大學的物理學家蘭德爾·卡米恩(randall kamien)以及德雷塞爾大學功能性織物中心創始主任熱納維耶芙·迪翁(geneviève dion)合作,試圖找到一種新的數學模型,能夠根據最初的針法圖案可靠地預測最終織物的複雜形變。


研究團隊首先編織了複雜的圖案,包括波浪紋、山峰紋以及能摺疊成人臉的造型,再逆向推導其幾何原理。他們發現,要預測紡織品的最終形態,並不需要考慮每個針法的實際形狀和拉伸情況,因為這在所需規模下會消耗過多的算力。相反,他們只需要知道每種針法傾向於如何使織物彎曲即可。


新模型將針法產生的張力數據整合到複雜數學結構中,這種構造名為「弗普爾-馮·卡門方程」(föppl–von kármán equation)。這些方程原本用於描述細胞組織、潛艇外殼等薄而柔韌的材料在內外力作用下的行為。卡米恩指出,在設計織物時,這種映射方式使實物編織前的模擬實驗成為了可能。他希望這種虛擬測試能夠催生出更先進、更定製化的紡織品,例如可穿戴醫療設備等。


美國斯坦福大學的機械工程師科西馬·迪帕斯基耶爾(cosima du pasquier)並未參與這項研究,他評價稱:「對於可穿戴設備來說,同時具有高度可調性、擴展性且低成本的紡織技術,我認為是非常令人興奮的。」迪帕斯基耶爾研究的軟體機器人會用到功能性織物,他期待能進一步量化驗證模型預測與實際織物的吻合度,以及布料厚度、紗線類型等因素帶來的影響。


研究人員表示,即便未經優化,該模型已為創新設計提供了一個實用的起點。迪翁說:「如果仍然依賴於試錯法,就無法釋放編織技術的全部潛力,現在我們終於能在虛擬環境中進行實驗了。」


本文節選自《環球科學》雜誌2025年6月刊

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