El tejido, el antiguo arte de enlazar y coser fibras naturales para formar telas, ha recibido una atención renovada por sus posibles aplicaciones en la fabricación moderna. Más que su uso para prendas de vestir, los textiles de punto son ideales para tecnologías emergentes como la electrónica portátil o la robótica blanda: diseñar y fabricar estructuras que necesitan moverse y doblarse.
El tejido transforma el hilo unidimensional en tejidos bidimensionales que son flexibles, duraderos y altamente personalizables en forma y elasticidad. Pero para crear técnicas de diseño textil inteligentes que los ingenieros puedan utilizar, es fundamental comprender la mecánica detrás de los materiales tejidos.
Los físicos del Instituto de Tecnología de Georgia han tomado los conocimientos técnicos del tejido y le han añadido respaldo matemático. En un estudio dirigido por Elisabetta Matsumoto, profesora asociada de la Facultad de Física, y Karishma Singhal, investigadora graduada en el laboratorio de Matsumoto, el equipo utilizó experimentos y simulaciones para cuantificar y predecir cómo se pueden programar los tejidos. Al establecer una teoría matemática de los materiales tejidos, los investigadores esperan que el tejido (y los textiles en general) puedan incorporarse a más aplicaciones de ingeniería.
Su trabajo de investigación, “Programación de mecánica en materiales tejidos, puntada a puntada”, se publicó en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
“Durante siglos, los tejedores manuales han utilizado una variedad de puntadas y combinaciones de puntadas para definir la geometría y la ‘costura’ de las telas”, dijo Matsumoto, “y gran parte del conocimiento técnico del tejido se transmitió de boca en boca. “
Pero aunque el tejido a menudo se descarta como “trabajo de mujeres” no calificado y mal pagado, las propiedades del tejido pueden ser más complejas que las de los materiales de ingeniería tradicionales como el caucho o los metales.
Para este proyecto, el equipo quería decodificar los principios fundamentales que dictan el comportamiento elástico de los tejidos. Estos principios están impulsados por las sutilezas de los patrones de puntadas, la geometría y la topología del hilo: cruces insuficientes o excesivos en un nudo o puntada. “Muchos hilos no son muy elásticos, pero una vez tejidos en tela, la tela exhibe un comportamiento elástico emergente”, dijo Single.
“Los tejedores experimentados pueden identificar qué tejidos tienen más estructura que otros y tener la visión para aprovecharlos al máximo”, añadió. “Pero al comprender cómo se pueden programar estos tejidos y cómo se comportan, podemos ampliar la aplicación del tejido a campos más allá de la confección”.
A través de una combinación de experimentos y simulaciones, Matsumoto y Single exploraron la relación entre la manipulación del hilo, los patrones de puntada y la elasticidad de la tela, y cómo estos factores se combinan para afectar el comportamiento de las telas grandes. Comenzaron con experimentos físicos de estiramiento de hilos y telas para identificar parámetros básicos, como qué tan flexible o esponjoso es el hilo, y la longitud y el radio del hilo en una puntada determinada.
Luego utilizaron los resultados experimentales para diseñar una simulación para examinar el hilo dentro de la costura como si fuera una radiografía. Es difícil ver el interior de los puntos durante las mediciones físicas, por lo que se utilizan duplicados para ver qué partes del hilo interactúan con otras partes. Las simulaciones se utilizan para recrear mediciones físicas con la mayor precisión posible.
A través de estos experimentos y simulaciones, Single y Matsumoto demostraron el profundo efecto que las variaciones de diseño pueden tener en la respuesta de la tela y descubrieron la notable programabilidad del tejido. “Descubrimos que al utilizar ajustes simples en la forma de diseñar el patrón de la tela, se puede cambiar qué tan flexible o rígida es la tela a granel”, dijo Single. “La forma en que se manipula el hilo, qué puntos se forman y cómo se modelan los puntos cambian completamente la respuesta del tejido final”.
Matsumoto prevé que los conocimientos adquiridos a partir de su investigación permitirán que el diseño de textiles tejidos se utilice más comúnmente en la fabricación y el diseño de productos. Su descubrimiento de que un simple patrón de puntadas puede cambiar la elasticidad de la tela muestra el potencial del tejido para tecnologías interactivas avanzadas como la robótica suave, los dispositivos portátiles y la háptica.
“Pensamos en tejer como una técnica de fabricación aditiva, como la impresión 3D, y se pueden cambiar las propiedades del material simplemente eligiendo el patrón de puntada correcto”, dijo Single.
Matsumoto y Single planean ampliar aún más los límites de la ciencia de los tejidos, ya que aún quedan muchas preguntas sobre los tejidos sin respuesta.
“Los textiles están en todas partes y los utilizamos en todas partes de nuestras vidas”, dijo Matsumoto. “En este momento, el desafío es que diseñarlos para propiedades específicas depende de mucha experiencia y conocimiento técnico. Esperamos que nuestra investigación ayude a hacer de los textiles una herramienta versátil también para ingenieros y científicos”.
