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当物理学家爱上织毛衣,顺手揭开编织的数学之谜!

前瞻网    2021-10-03 09:00

 

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物理学家Elisabetta Matsumoto工作之外是一个狂热的针织爱好者,而这个爱好从小养成。2009年,Matsumoto在宾夕法尼亚大学读研究生期间,一次编织日本红龙图案时,发现了一个异常多结的针法。

Matsumoto说:“我的书里有成千上万种不同的针法图案,但挂在墙上的红龙图案是我从未见过的。”这让她开始思考其中的几何形状,并最终引导她揭开编织的数学之谜。

Matsumoto说,基本的针法有一百种左右。通过改变针迹组合,编织者可以改变织物的弹性、机械强度和三维结构。纱线本身并不是很有弹性。但在编织时,纱线产生的织物可以伸长两倍多,而纱线本身几乎不能伸长。

Matsumoto现在在亚特兰大的佐治亚理工学院工作,正在梳理出决定针脚如何赋予织物如此独特性能的数学规则。她希望能开发出一套针法类型、它们的组合以及由此产生的织物性能大全。她说,编织者、科学家和制造商都可以从编织词典中受益。

Matsumoto的研究建立在打结理论的基础上,这是一套定义打结如何形成的数学原理。这些原理帮助解释了DNA是如何折叠和展开的,以及分子在空间中的组成和分布如何赋予其物理和化学特征。Matsumoto正利用打结理论来了解每一针是如何与相邻针纠缠在一起的。她说:“针脚的类型、几何形状的差异以及将这些针脚排列在一起的顺序可能决定了(织物的)性能。”

做一些微小的改变,比如改变一个结的几个交叉点,可能会对纺织品的力学产生巨大的影响。例如,只有一种针法的织物,如针织织物或反织织物,其边缘往往会卷曲。但如果将两种针法交替排列或排列在一起,织物就会平铺。Matsumoto表示,尽管看起来几乎相同,但这些面料的弹性程度不同。

Matsumoto的团队现在正在训练计算机像编织者一样思考。利用纱线性能、数学针法细节和最终的针织结构作为输入,程序可以预测织物的力学性能。这些预测有朝一日可能有助于为特定应用定制材料——从生长人体组织的支架到可穿戴的智能服装——也许还能解决日常生活中的棘手问题。

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责任编辑: 4150ZYN

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