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

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