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着手工藝者與製造商。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。”
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