针织是将天然纤维编织成织物的古老工艺，因其在先进制造业中的潜在应用而再次受到关注。针织纺织品的用途远不止服装，它还是设计和制造新兴技术的理想选择，例如可穿戴电子产品或软机器人(需要移动和弯曲的结构)。

针织将一维纱线转化为二维织物，这种织物柔韧、耐用，形状和弹性可高度定制。但要创造工程师可以使用的智能纺织品设计技术，了解针织材料背后的力学原理至关重要。

佐治亚理工学院的物理学家利用了针织的技术诀窍，并为其添加了数学支持。在由物理学院副教授ElisabettaMatsumoto和Matsumoto实验室研究生研究员KrishmaSingal领导的一项研究中，该团队使用实验和模拟来量化和预测如何对针织面料的反应进行编程。

通过建立针织材料的数学理论，研究人员希望将针织(以及一般的纺织品)纳入更多的工程应用中。他们的研究论文《针织材料中的编程力学，一针一线》发表在《自然通讯》杂志上。

松本说：“几个世纪以来，手工编织者一直使用不同类型的针法和针法组合来指定服装的几何形状和‘弹性’，而围绕编织的大部分技术知识都是通过口口相传而流传下来的。”

尽管编织经常被视为不需要技术、报酬低的“女性工作”，但编织物的特性却比橡胶或金属等传统工程材料更为复杂。

对于这个项目，团队希望破译针织物弹性行为的根本原理。这些原理由针法图案、几何形状和纱线拓扑结构(结或针法中的下交叉或上交叉)的细微相互作用所支配。“许多纱线的弹性不是很好，但一旦编织成织物，织物就会表现出突发的弹性行为，”Singal说。

她补充道：“经验丰富的针织工可以辨别出哪些面料比其他面料更具弹性，并能凭直觉知道最佳用途。但通过了解如何对这些面料进行编程以及它们的行为方式，我们可以将针织的应用扩展到服装以外的各种领域。”

通过实验和模拟相结合的方式，Matsumoto和Singal探索了纱线操控、针法图案和织物弹性之间的关系，以及这些因素如何共同影响大块织物的行为。他们首先进行了纱线和织物的物理拉伸实验，以确定主要参数，例如纱线的弯曲度或蓬松度，以及给定针法中纱线的长度和半径。

然后，他们利用实验结果设计了模拟来检查针脚内部的纱线，类似于X射线。在物理测量过程中很难看到针脚内部，因此使用模拟来查看纱线的哪些部分与其他部分相互作用。使用模拟尽可能准确地重现物理测量。

通过这些实验和模拟，Singal和Matsumoto展示了设计变化对织物反应的深远影响，并揭示了针织卓越的可编程性。

“我们发现，通过对织物图案的设计进行简单的调整，你可以改变织物本体的弹性或硬度，”Singal说。“纱线的处理方式、针脚的形成方式以及针脚的图案设计方式会完全改变最终织物的响应。”

Matsumoto设想，从他们的研究中获得的见解将使针织纺织品设计在制造和产品设计中得到更广泛的应用。他们发现，简单的针法图案可以改变织物的弹性，这表明针织在软机器人、可穿戴设备和触觉等尖端交互技术方面具有潜力。

辛加尔表示：“我们认为编织是一种增材制造技术，就像3D打印一样，只需选择正确的针法图案就可以改变材料属性。”

松本和辛加尔计划进一步突破针织面料科学的界限，因为有关针织面料的问题仍有许多问题有待解答。

“纺织品无处不在，我们在生活中处处使用它们，”松本说。“目前，困难的部分是，为特定属性设计纺织品需要大量的经验和技术直觉。我们希望我们的研究也能帮助纺织品成为工程师和科学家的多功能工具。”

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