Magia, czyli nowy poziom dziewiarstwa
W rdzeniu maszyny dziewiarskiej lub w rękach osoby robiącej na drutach pasmo włókien może zostać przekształcone w dowolną dzianinę – od delikatnego szalika po kamizelkę kuloodporną. Jednak różne ściegi dziewiarskie mają tendencję do skręcania się w różnych kierunkach (przykładem może być podwijająca się tkana na okrągło koszulka po obcięciu jej dolnego brzegu). Naprężenia powodowane przez ścieg mogą nadawać dwuwymiarowej tkaninie złożony przestrzenny kształt, a przewidywanie ostatecznej struktury dzianiny stanowi wyzwanie zarówno w dziewiarstwie ręcznym, jak i maszynowym. Model matematyczny opublikowany w „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” wykorzystuje fizykę do radzenia sobie z tym problemem.
Celem fizyków jest szukanie reguł, które decydują o zachowaniu się materiałów – wyjaśnia Lauren Niu, kierująca badaniami fizyk z Drexel University. Po odkryciu reguł zaczyna się magia – możliwe staje się przewidywanie. Niu współpracowała z fizykiem z University of Pennsylvania Randallem D. Kamienem oraz z Genevieve Dion, dyrektorką i założycielką Drexel University’s Center for Functional Fabrics, nad modelem matematycznym, umożliwiającym prognozowanie złożonych kształtów w zależności od zastosowanych rodzajów ściegu.
Prace badawcze zaczęto od dziania złożonych wzorów – m.in. krzywizn, wypukłości oraz dzianiny odwzorowującej kształt twarzy – a następnie przeprowadzano inżynierię wsteczną geometrii dzianin. Ustalono, że nie trzeba uwzględniać kształtu i rozciągliwości każdego ściegu (wymagałoby to przy danej skali zbyt dużej mocy obliczeniowej), aby przewidzieć ostateczną formę tkaniny. Wystarczy tylko wiedzieć, jaką tendencję do wyginania tkaniny ma każdy rodzaj ściegu.
Nowy model uwzględnia informacje o tym, jak ściegi wytwarzają napięcie, bazując na skomplikowanej zależności matematycznej zwanej równaniem Föppla–von Kármána, które opisuje zachowanie się cienkich, elastycznych materiałów – na przykład ścian komórek lub kadłubów okrętów podwodnych – pod wpływem sił wewnętrznych i zewnętrznych. Mapowanie ściegów stosowanych w określony sposób umożliwia eksperymentowanie z projektami tekstyliów, zanim dojdzie do ich praktycznego dziania – wyjaśnia Kamien. Jest szansa, że takie wirtualne testy doprowadzą do wyrobu specjalistycznych tekstyliów lepiej dostosowanych do określonych obiektów, choćby urządzeń typu wearable.
Możliwość dysponowania takimi tekstyliami różnych rozmiarów wydaje się obiecująca, uważa Cosima du Pasquier, inżynier mechanik ze Stanford University. Du Pasquier, która zajmuje się miękką robotyką, korzystającą z funkcjonalnych tekstyliów, interesują efekty stosowania modelu w postaci konkretnej tkaniny oraz wpływ na te efekty zmiennych czynników – takich jak rodzaj i grubość przędzy.
Zdaniem badaczy nawet bez udoskonalania model oferuje możliwość wypróbowywania nowych wzorów. „Nie można wykorzystać wszystkich możliwości dziewiarstwa, opierając się tylko na próbach i błędach; zaczynamy eksperymentować w środowisku wirtualnym” – mówi Dion.