如何织出立体图案?科学家找到了新算法

2025年06月06日22:30:17 科学 8318
如何织出立体图案?科学家找到了新算法 - 天天要闻


撰文|k.r.卡拉韦(k. r. callaway) 

翻译|巢栩嘉


在编织机或熟练编织工的针尖,一根丝线能变化出多种多样的形态,从精美的围巾到防弹背心皆有可能。但不同针法会导致织物朝不同方向卷曲——就如剪掉下摆的t恤,边缘会自然翘起。织物中的张力能使二维织物扭曲成复杂三维形态,如何预判成品结构始终困扰着手工艺者与制造商。如今,在《美国科学院院刊》(pnas)上发表的一种数学模型,用物理学解开了这个谜团。


论文第一作者、美国德雷塞尔大学(drexel university)的物理学家牛乐融(lauren niu)解释说,物理学家总在寻找控制材料行为的法则。法则一旦确立,“魔法就会降临。”预测成为可能。


牛乐融与宾夕法尼亚大学的物理学家兰德尔·卡米恩(randall kamien)以及德雷塞尔大学功能性织物中心创始主任热纳维耶芙·迪翁(geneviève dion)合作,试图找到一种新的数学模型,能够根据最初的针法图案可靠地预测最终织物的复杂形变。


研究团队首先编织了复杂的图案,包括波浪纹、山峰纹以及能折叠成人脸的造型,再逆向推导其几何原理。他们发现,要预测纺织品的最终形态,并不需要考虑每个针法的实际形状和拉伸情况,因为这在所需规模下会消耗过多的算力。相反,他们只需要知道每种针法倾向于如何使织物弯曲即可。


新模型将针法产生的张力数据整合到复杂数学结构中,这种构造名为“弗普尔-冯·卡门方程”(föppl–von kármán equation)。这些方程原本用于描述细胞组织、潜艇外壳等薄而柔韧的材料在内外力作用下的行为。卡米恩指出,在设计织物时,这种映射方式使实物编织前的模拟实验成为了可能。他希望这种虚拟测试能够催生出更先进、更定制化的纺织品,例如可穿戴医疗设备等。


美国斯坦福大学的机械工程师科西马·迪帕斯基耶尔(cosima du pasquier)并未参与这项研究,他评价称:“对于可穿戴设备来说,同时具有高度可调性、扩展性且低成本的纺织技术,我认为是非常令人兴奋的。”迪帕斯基耶尔研究的软体机器人会用到功能性织物,他期待能进一步量化验证模型预测与实际织物的吻合度,以及布料厚度、纱线类型等因素带来的影响。


研究人员表示,即便未经优化,该模型已为创新设计提供了一个实用的起点。迪翁说:“如果仍然依赖于试错法,就无法释放编织技术的全部潜力,现在我们终于能在虚拟环境中进行实验了。”


本文节选自《环球科学》杂志2025年6月刊

本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载,请在“环球科学”后台回复“转载”,还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。

科学分类资讯推荐

免费开放两个月!成都这场AI科普展可以看“天”字辈机器人 - 天天要闻

免费开放两个月!成都这场AI科普展可以看“天”字辈机器人

6月28日,“逐际太空·畅想AIRobot”人工智能科普展在中国-欧洲中心B1层正式开展。红星新闻记者了解到,本次科普展由四川省人工智能行业协会、四川省人工智能研究院主办,成都高投电子集团、成都智算中心、华存智谷、成都明途科技、中国-欧洲中心等单位联合举办,为期两个月,面向公众免费开放。本次展览设置AI星球奇遇记、...
一张“英雄帖”吸引AI项目来“揭榜” - 天天要闻

一张“英雄帖”吸引AI项目来“揭榜”

企业代表上台展示AI应用项目 广州青年报讯(记者 郑巧蓉 见习记者 陈天旭 通讯员 李梦媛)6月20日,“青AI天河 智创未来”天河区2025年AI应用场景“揭榜挂帅”项目首场路演活动在天河区举办。
河边发现一颗生长了20年的“金线吊乌龟”,实属罕见,太珍贵了 - 天天要闻

河边发现一颗生长了20年的“金线吊乌龟”,实属罕见,太珍贵了

这个季节河岸两侧长了很多水蕨菜,之前来这里摘过,因为这里是河边长得非常快,像这些不摘就老掉了,这些还是非常嫩的。这个地方别人都摘过了,但是又长了很多起来,长得非常快了,老的很快。这个别人折断的,它还继续长就老掉了,这些都是可以的。把这个也拔
研究认为频繁做噩梦会加速衰老 - 天天要闻

研究认为频繁做噩梦会加速衰老

参考消息网6月28日报道据英国《新科学家》周刊网站6月22日报道,每周做噩梦似乎会加速衰老,甚至可能使早逝的风险增加两倍。英国帝国理工学院的阿比德米·奥泰库说:“经常做噩梦的人衰老得更快,去世得更早。”奥泰库和他的同事们分析了超过18.
时隔36年,海王星与土星再次近距离“相聚”夜空! - 天天要闻

时隔36年,海王星与土星再次近距离“相聚”夜空!

6月29日,太阳系中的行星海王星与土星相合,上演“星星相吸”。届时如果天气晴好,我国感兴趣的公众可在午夜过后朝东南方天空观赏。所谓“合”,是指太阳系内两个天体在天球上的视黄经相同的现象。从地球上看,这两个天体的角距离会非常近。