Гарвардские ученые превратили вязание в «умную» ткань, меняющую форму

Исследователи создали перенастраиваемый абажур с мультистабильными переключателями, соответствующими разным цветам света. Источник: Harvard SEAS

Вязание больше не ограничивается созданием привычных вещей вроде свитеров, шапок и пледов. Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) показали, что традиционные техники вязания можно использовать для создания функциональных тканей, способных менять форму, ощущать движение и работать как переключатели. Такой подход может помочь в разработке нового поколения программируемого текстиля.

Команда создала специализированные машинные вязаные ткани, которые могут «перещелкиваться» из одной устойчивой формы в другую. Физики описывают эту способность сохранять несколько стабильных конфигураций как мультистабильность. Исследование возглавила недавняя выпускница докторантуры Каусалья Махадеван, ныне постдокторант в лаборатории Катии Бертольди, профессора прикладной механики. Результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

«Меня всегда восхищали ткани и текстиль, а также то, что мы можем с ними инженерно создавать, — отметила Махадеван, начавшая работу в лаборатории Бертольди еще будучи студенткой. — Наши идеи о мультистабильности в текстиле возникли из вдохновения художниками по текстилю и их подходом к структурам, а также из того, как лаборатория традиционно мыслит о нелинейной механике твердых тел. Мы попытались подойти к текстилю в этом контексте».

Материалы, которые изгибаются и сохраняют форму, обычно создаются путем формования полимеров и тщательного контроля остаточных напряжений. Однако в этой работе исследователи продемонстрировали, что поперечное вязание — тот же промышленный метод, который используется для производства шапок и перчаток, — может создавать сложные изогнутые структуры только с помощью пряжи. Команда выбрала высокоэластичные нити и использовала метод вязания под названием «платирование», при котором разные нити размещаются на противоположных сторонах ткани. Такое сочетание дало плотные, толстые материалы, которые естественным образом сворачиваются в трехмерные формы. Эффект основан на том же базовом поведении, из-за которого нижний край разрезанной футболки закручивается вверх.

«Выбор пряжи и параметров машины позволил нам выбрать ткань, которая будет настолько "щелкающей", насколько это возможно», — добавила Махадеван.

Затем исследователи расположили горизонтальные и вертикальные полосы в систематических комбинациях. Это позволило создать ткани, которые могут переключаться между разными конфигурациями и оставаться стабильными в каждой — примерно как выключатель света, который остается либо во включенном, либо в выключенном положении. Изучая, как геометрия ткани и свойства материала влияют на это поведение, команда определила физические условия, позволяющие вязаному текстилю становиться мультистабильным. Им также удалось смоделировать поведение, рассматривая каждую ткань как непрерывный материал, а не моделируя каждую отдельную нить.

Далее исследователи добавили тонкие токопроводящие нити, чтобы продемонстрировать, как технология может применяться в практических устройствах. Эти волокна превратили вязаные структуры в мягкие, растяжимые электрические переключатели, которые меняют электрическое состояние при «перещелкивании» ткани из одной конфигурации в другую.

В одной демонстрации команда создала мультистабильную вязаную оболочку, которая включает и выключает светодиод при переходе ткани между устойчивыми состояниями. Также был создан носимый тканевый переключатель, который можно разместить на колене или локте. «Щелкающее» движение, возникающее при сгибании сустава, может быть обнаружено платой Arduino и использовано для подсчета шагов.

Еще одним прототипом стал перенастраиваемый абажур с тремя отдельными мультистабильными переключателями. Каждый из них управлял разным цветом света, когда части ткани растягивались и «перещелкивались» между конфигурациями. Эти устройства, а также другие примеры проекта были представлены на недавней инсталляции Art Lab.

Важно, что машины, использованные Махадеван и ее коллегами, аналогичны промышленному вязальному оборудованию, которое уже есть на швейных фабриках. Такая совместимость предполагает, что устройства на основе этой техники потенциально могут быть относительно быстро масштабированы. С научной точки зрения работа также приближает текстиль к области нелинейных механических метаматериалов — инженерных структур, предназначенных для контролируемого изгиба, деформации и «перещелкивания» для выполнения полезных функций.

Махадеван видит дополнительные возможности для использования мультистабильности при создании тканей, сочетающих мягкость, бесшовную конструкцию и функциональность. В будущем исследователи представляют ткани, которые могли бы незаметно отслеживать движения тела, обеспечивать тактильную обратную связь или менять физическую форму при необходимости.

Исследование поддержано грантами NSF DMR-2011754 и программой ARO MURI W911NF-22-1-0219. Оборудование поддержано наградой ONR DURIP N00014-19-1-2220.

Источники:

Материалы предоставлены Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона. Оригинал написан Энн Дж. Мэннинг.

Каусалья Махадеван, Мишель К. Юэн, Дэвид Т. Фаррелл, Конор Дж. Уолш, Ванесса Санчес, Роберт Дж. Вуд, Катия Бертольди. Knitting Multistability. Advanced Functional Materials, 2026; 36 (53) DOI: 10.1002/adfm.76385