Люди использовали плоские, лентообразные материалы, такие как полоски тростника, для изготовления плетеных корзин на протяжении тысячелетий. Этот метод ткачества вновь появился в качестве метода для инженеров для создания текстильных и тканевых структур со сложной геометрией. Несмотря на то, что эти корзины красивы и сложны, они также могут быть удивительно прочными.

Мы — команда ученых из Мичиганского университета. Мы хотели выяснить, как корзинообразные конструкции, использующие традиционные методы плетения, могут быть такими прочными, несущими и упругими.

Чтобы изучить упругость корзин, мы разработали серию небольших тканых блоков, которые можно собирать в более крупные конструкции. Эти тканые конструкции обеспечивают почти такую же жесткость, как и нетканые конструкции, такие как пластиковые контейнеры. Они также не ломаются и не разрушаются при сгибании и скручивании, как это делают нетканые непрерывные системы (изготовленные из непрерывного листового материала).

Наши плетеные конструкции, похожие на корзины, имеют множество потенциальных применений, в том числе крошечные роботы, которые очень устойчивы к повреждениям – таких роботов может переехать автомобиль и при этом они не выйдут из строя. Мы также могли бы изготавливать тканую одежду, чтобы защитить людей от серьезных воздействий, таких как автомобильные аварии. Мы изготовили эти тканые конструкции из майлара (разновидность полимерного материала), дерева и стали.

Тестирование плетеных корзин

Ранние люди плели корзины, сплетая тонкие полоски коры или тростника, и некоторые коренные народы используют эти методы и сегодня. Плетение корзин было эффективным способом превращения одномерных полос в трехмерные контейнеры.

Это геометрическое преимущество является прямой мотивацией для плетения корзин, но в нашем исследовании, опубликованном в августе 2025 года в Physical Review Research, мы хотели выяснить, может ли плетение корзин обеспечить нечто большее, чем эстетическую ценность в современной науке и технике.

В нашем эксперименте мы сравнили тканые и нетканые контейнеры, которые имели одинаковую общую форму и были изготовлены с использованием одного и того же количества и типа материалов.

«Ленты», которые мы использовали, были 10 миллиметров в ширину и две десятых миллиметра в толщину. Они всегда были сплетены по одному и тому же рисунку верх/под/над/низ. Мы сплели корзины из плоских лент, а затем создали модели с помощью 3D-сканирования этих плетеных контейнеров, которые помогли нам изучить основные сходства и различия между ткаными и непрерывными структурами.

Мы обнаружили, что эти контейнеры имеют такую же жесткость, как и контейнеры, изготовленные не из тканых материалов, и они также возвращаются к своей первоначальной форме после того, как мы их согнули или скрутили.

Когда вы помещаете тяжелый предмет на тканую конструкцию, ленты в основном растягиваются, а не сгибаются. Это растяжение делает их жесткими, потому что ленты намного жестче при растяжении по сравнению с согнутыми. Кроме того, ленты не соединены жестко в тканых структурах, что придает им необычайную упругость.

Используя методы плетения корзин, инженеры потенциально могут создавать более качественные материалы для автомобилей, потребительских устройств, таких как умные часы, и мягких роботов, которые представляют собой роботов, сделанных из мягких материалов, а не жестких. По сути, эти методы могут улучшить любое устройство, когда материал должен быть жестким и упругим.

Что дальше

Наша исследовательская группа все еще изучает несколько больших, оставшихся без ответа вопросов об этих плетеных корзинах.

Во-первых, мы хотим понять, как геометрия плетеных корзин определяет их жесткость и упругость, и создать аналитическую или численную модель для описания этой взаимосвязи. Затем мы хотели бы использовать эту модель для проектирования тканых конструкций, которые соответствуют заданной жесткости и упругости. Большинство плетеных корзин изготавливаются вручную, потому что их геометрия сложна и сложна для машинного производства.

Во-вторых, мы хотели бы выяснить, как создать машину, которая могла бы изготавливать плетеные корзины автономно. Автоматизированные машины могут производить двухмерные тканые ткани, но мы бы любят учиться модернизировать и оцифровывать древнее ремесло объемного плетения корзин.

В-третьих, мы хотим понять, как интегрировать электронные материалы в трехмерное плетение корзин для создания роботизированного текстиля следующего поколения. Эти роботизированные текстильные изделия могут чувствовать, приводить в действие, перемещаться, нести нагрузку, оставаться устойчивыми к случайным перегрузкам и в то же время безопасно взаимодействовать с людьми.

Исследования и применение лозоплетения

Наше исследование не единственное, изучающее сложную геометрию плетения корзин и потенциал применения техник плетения корзин в архитектурном проектировании.

Например, исследователи объединились с художником, чтобы изменить популярный подход к плетению корзин, найдя способы плетения лент и создания любой кривизны, которую они хотели. Позже та же исследовательская группа использовала эту методологию для изготовления тканых куполов. Они обнаружили, что могут регулировать жесткость и стабильность тканых куполов, изменяя кривизну лент.

В другом соответствующем исследовании ученые создали алгоритмы, которые оптимизировали размер, форму и кривизну лент, а затем использовали эти ленты для сплетения геометрически сложной структуры.

Наша новая работа и работа других команд — это современный взгляд на технологии, которые, вероятно, существовали с самого зарождения человечества.

Говэй (Уэйн) Ту, аспирант в области гражданской и экологической инженерии, Мичиганский университет и Евгений Филипов, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии, Мичиганский университет

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons.