Technologia

Laboratorium dziergania

Numer 7/2020
Wykres pokazujący zależność wydłużenia nylonowej dzianiny od przyłożonej siły. W okienku powiększenie na fluktuacje pojawiające się podczas rozciągania. Wykres pokazujący zależność wydłużenia nylonowej dzianiny od przyłożonej siły. W okienku powiększenie na fluktuacje pojawiające się podczas rozciągania. Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz
Robótki ręczne naszych babć zostały wzięte pod lupę naukowców. Okazuje się, że mają one unikalne właściwości mechaniczne, które pozwolą walczyć z trzęsieniami ziemi i projektować elastyczne roboty.
Kody QR do linków wymienionych w tekście.Wiedza i Życie Kody QR do linków wymienionych w tekście.

Gdy naukowiec rozpoczyna pracę nad nowym projektem, musi najpierw zapoznać się z najnowszymi osiągnięciami w swojej dziedzinie badań (czytając wiele artykułów branżowych), kupić (i nauczyć się obsługiwać) nowy sprzęt laboratoryjny i ewentualnie przeprowadzić jakieś wstępne eksperymenty. W przypadku Samuela Poincloux, badacza z Sorbony, było zupełnie inaczej. W ramach swojego projektu musiał on najpierw nauczyć się… robić na drutach. Naukowiec ten bada bowiem mechaniczne właściwości dzianin i ich wytrzymałość na rozciąganie.

Różnice strukturalne i mechaniczne między dzianiną (sweter, szalik, czapka) a tkaniną (obrus, koszula lub dżinsy) bardzo łatwo zauważyć. Dzianina dostosowuje się do kształtów naszego ciała i idealnie do niego przylega. Co więcej, można ją rozciągać w wybranym kierunku, zwiększając jej długość nawet dwukrotnie. Inaczej zachowuje się tkanina, która jest o wiele mniej elastyczna. Tę różnicę można sprawdzić, wykonując proste doświadczenie. Wystarczy spróbować naciągnąć na powierzchnię piłki kawałek dzianiny, a następnie tkaniny. W pierwszym przypadku materiał dostosuje się do jej kształtów, w drugim zacznie się marszczyć.

Różnice te nie wynikają jednak z natury włókien, ale ze sposobu ich splątania. Tkanina jest utworzona z dwóch nitek, tzw. osnowy i wątku, które przeplatają się pod kątem prostym. Kiedy próbujemy rozciągnąć taki materiał, efekt jest prawie taki sam, jakbyśmy rozciągali samą nić. Innymi słowy, elastyczność tkaniny jest wtedy determinowana przez elastyczność nici, z której ją zrobiono. Dzianina natomiast składa się z jednej nici, tworzącej sieć pętelek. Rozciąganie jej powoduje zatem zniekształcenie pętli, a nie samej nici – materiał jest elastyczny nawet wtedy, gdy przędza sama w sobie nie.

Dziergać jak fizyk

Wspomniany wyżej francuski badacz miał spore problemy ze sztuką dziergania. Mimo szczerych chęci robienie na drutach nie szło mu najlepiej, a tradycyjne włóczki były zbyt skomplikowane w swojej budowie (każde włókno składa się z wielu mniejszych nici). Jego laboratorium zakupiło więc maszynę dziewiarską, a zamiast przędzy z wełny czy bawełny użyto nylonu. Dzięki temu naukowiec musiał martwić się jedynie o takie parametry jak elastyczność nici, struktura narzucona przez wydziergany wzór oraz tarcie między włóknami w punktach ich styku. Gdy w końcu udało się przygotować idealny kawałek nietypowej dzianiny, rozciągnął go, mierząc siłę oraz wydłużenie materiału, jaką ona spowodowała. Powstał w ten sposób wykres, będący miarą elastyczności nylonowej przeplatanki. Co więcej, materiał zachowywał się tak, jak przewidział to wcześniej model Francuza. Po przyjrzeniu się krzywej badacz dostrzegł jednak coś, czego się zupełnie nie spodziewał…

Na wykresie znajdowały się tzw. szumy, czyli niewielkie odchylenia od głównego trendu. Fluktuacje te miały bardzo specyficzny kształt: powolny liniowy wzrost przerywany gwałtownym spadkiem (patrz wykres). Odpowiedzialne za to jest tarcie między nylonowymi włóknami w punktach ich styku. Z lekcji fizyki wiemy, że gdy jedno ciało przesuwa się wzdłuż powierzchni drugiego, siły tarcia opierają się sile pchającej. Poniżej pewnej siły krytycznej dominuje tarcie i obiekty te nie poruszają się (powolny wzrost na wykresie); powyżej tej siły tarcie zostaje pokonane, a ciała zaczynają się nagle przesuwać względem siebie (gwałtowny spadek na wykresie). Badając bardziej szczegółowo ten fenomen, naukowiec zdał sobie sprawę, że włókna w punktach styku nie przesuwają się względem siebie punkt po punkcie, lecz w dużych grupach wzdłuż ściegów.

Ta właściwość jest charakterystyczna dla wielu systemów, które wykazują nagłe zdarzenia, gdy są powoli „ładowane”. Najczęściej badanym przykładem jest… skorupa ziemska. Kiedy dwie płyty tektoniczne (takie jak pacyficzna i północnoamerykańska) ocierają się o siebie podczas podróży w przeciwnych kierunkach, powoli gromadzą energię podczas próby przezwyciężenia tarcia, po czym nagle przesuwają się, powodując trzęsienie ziemi. I co ciekawe, rozkład prawdopodobieństwa wielkości trzęsienia ziemi, znany jako prawo Gutenberga–Richtera, wykazuje takie same cechy jak te mierzone w nylonowej dzianinie! Samuel Poincloux uważa zatem, że jego badania, opublikowane w 2018 r., zainteresują sejsmologów, ale nie tylko…

Wirtualny sweter i matematyczna czapka

Właściwości mechaniczne dzianin interesują oczywiście producentów odzieży, ale też matematyków, którzy używają robótek ręcznych do wyjaśnienia geometrii i topologii (nauka zajmująca się badaniem własności danego obiektu, które nie zmieniają się nawet po jego radykalnym zdeformowaniu) skomplikowanych figur geometrycznych i brył. I tak np. Sarah-Marie Belcastro z University of Massachusetts od 10 lat dzierga w pracy takie przedmioty jak wstęga Möbiusa czy butelka Kleina. Badaczka uważa, że są to o wiele lepsze modele tych sławnych obiektów matematycznych niż te stworzone przez komputer. Dzięki elastyczności dzianiny, z której zostały wykonane, można nimi dowolnie manipulować, badając ich własności topologiczne. Amerykańska naukowiec używa także swoich robótek jako pomocy dydaktycznej w czasie zajęć ze studentami. Wstęga Möbiusa i butelka Kleina powinny zainteresować również osoby śledzące najnowsze trendy w modzie. Oba obiekty można bowiem wykonać na drutach w domowym zaciszu i nosić jako… szalik i czapkę (tutorial można zobaczyć tutaj https://www.youtube.com/watch?v=bNHdQHnCdN0).

Robótkami ręcznymi interesują się również graficy komputerowi. Animowane postacie w bajkach i grach też muszą być przecież odpowiednio ubrane. Bardzo poważnie do tego tematu podszedł Cem Yuksel z University of Utah, który w 2012 r. nauczył swój komputer, jak robić na drutach złożone dzianiny dla postaci wirtualnych. Wzory wydziergane przez jego program idealnie odzwierciedlają te zrobione przez zaprzyjaźnioną z laboratorium „specjalistkę” od szydełka i drutów. Co więcej, w swoje komputerowe ubranka przyodział już wirtualną owcę oraz kosmitę, pokazując, że jego dzianina, tak jak i ta prawdziwa, może dopasować się do kształtów każdej postaci. Proces powstawania wirtualnych wdzianek można obejrzeć na www.youtube.com/watch?v=NG5C_a6rxrY.

Pluszowy miś i robotyczna rękawica

Wielbiciele robótek na drutach dobrze wiedzą, że w ten sposób można stworzyć o wiele więcej rzeczy niż tylko swetry, czapki, skarpetki czy rękawiczki. Przy odrobinie wprawy da się bowiem wydziergać całkiem przyzwoite pluszaki. Właśnie tym w pracy zajmuje się Lea Albaugh z Carnegie Mellon University w Pittsburghu. W odróżnieniu jednak od klasycznych przytulaczków jej zabawki się poruszają. Do kolekcji badaczki należy m.in. stworzony w ub.r. króliczek, który rusza uszami i kończynami, a po naciśnięciu palcem na brzuszek go obejmuje. Podczas dziergania zabawki umiejętnie wpleciono w strukturę dzianiny nylonowe nici. Gdy króliczek jest już gotowy, wystarczy za nie pociągnąć lub nacisnąć w odpowiednim miejscu, aby wywołać pożądane ruchy. Oprócz zabawek amerykańska naukowiec stworzyła także bluzkę z unoszącym się rękawem oraz zmieniający kształt żyrandol. Niezwykłe przedmioty można obejrzeć na www.youtube.com/watch?v=wdOq1nUjmpY.

Z kolei Sung-Hoon Ahn i Min-Woo Han z Seoul National University pracują nad całą gamą dzierganych kwiatów, które mogą rozwijać i zwijać płatki. W swojej kolekcji koreańscy badacze mają już lilie czy żonkile. Zrobione zostały one częściowo z reagującej na ciepło przędzy, wykonanej z inteligentnego stopu (z tzw. pamięcią kształtu). Aby kwiaty zakwitły, należy je po prostu ogrzać, przepuszczając przez nie prąd lub kierując na nie strumień ciepłego powietrza z… suszarki. Wyniki badań Koreańczyków zostały opublikowane w 2017 r. w „Advanced Materials”. Kwiaty można podziwiać na https://www.youtube.com/watch? v=uj15Umtc1oM.

Pluszowe zabawki i kwiaty bez wątpienia cieszą oko. Jednak nie tylko po to zostały stworzone. Wielu naukowców uważa, że dzianinowe wzory znajdą zastosowanie przy produkcji elastycznych robotów, które pomogą nam w życiu codziennym. I tak np. Fionnuala Connolly z Harvard University opublikowała w ub.r. wyniki swoich badań nad robotyczną rękawicą, której palce idealnie oddają ruchy wykonywane przez człowieka. Każdy palec składa się z kilku segmentów wydzierganych wedle ściśle zdefiniowanych wzorów. Każdy z tych ściegów odpowiada za inny ruch palca: zginanie, skręcanie, kurczenie i rozszerzanie. Połączenie różnych typów segmentów pozwala osiągnąć znacznie bardziej złożony ruch, niż jakikolwiek pojedynczy segment mógłby zaoferować osobno. Mechanizm zasilany jest pneumatycznie (przetwarzanie energii sprężonego powietrza na ruch). Connolly ma nadzieję, że jej robotyczna rękawica pomoże w przyszłości ludziom, którzy doznali poważnych obrażeń dłoni, lub wspomoże pracowników linii montażowych, redukując liczbę urazów mięśniowo-szkieletowych.

Nie ma co ukrywać, że dzierganie kojarzy nam się głównie z ciepłym swetrem zrobionym przez babcię, a sama sztuka robienia na drutach nie jest zbyt popularna wśród młodych osób. Tymczasem coraz śmielej wkracza ona do laboratoriów, pomagając rozwiązywać zawikłane problemy matematyczne, budować elastyczne roboty, a nawet tłumaczyć powstawanie trzęsień ziemi. Jedno jest pewne – robótki ręczne wracają do łask, i to w wielkim stylu.

***

Dziergający robot

Agnes Roboknit jest humanoidalnym robotem, który pracuje na okrągłym krośnie. Jej specjalnością są szaliki – na zrobienie jednego potrzebuje ok. 5 godz. Co więcej, Agnes okresowo mruga, rozgląda się i spuszcza wzrok z powrotem do swojego zadania. Z daleka wygląda i zachowuje się jak człowiek, ale po pewnej chwili można dostrzec metalowe części jej ciała. Artysta i wynalazca Andy Noyes stworzył Agnes w domowym warsztacie. Nawet silikonowa twarz i dłonie zostały wykonane na podstawie gipsowych odlewów prawdziwej osoby. Pierwotny plan zakładał, że Agnes będzie robiła na drutach, ale po tym jak Noyes nauczył się tej sztuki, zdał sobie sprawę, że krosno będzie łatwiejsze. Niezwykłego robota można podziwiać na www.youtube.com/watch?v=eTroGtEch-E.

***

Przędza ze skóry

Naukowcy z Bordeaux opublikowali w lutym badania nad włóknem zrobionym z fibroblastów, czyli komórek ludzkiej skóry. Artykuł zilustrowali serią zdjęć udowadniających, że niezwykła nić jest na tyle elastyczna, że można ją tkać, dziergać z niej, a nawet za jej pomocą szydełkować. Chociaż brzmi to jak scena rodem z „Milczenia owiec”, francuscy badacze przekonują, że przy produkcji włókna nikt nie ucierpiał, a nietypowej przędzy chcą używać podczas przeszczepiania tkanek i operacji narządów. W przeciwieństwie do syntetycznej „skóry”, która może wywoływać stany zapalne, wykonana z fibroblastów nie jest odrzucana przez ludzki układ odpornościowy, co czyni ją idealnym wsparciem przy zabiegach medycznych.

01.07.2020 Numer 7/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną