Vật lý có thể dạy chúng ta điều gì về dệt may?
Giàu óc tưởng tượng đến mấy thì vẫn không nhiều người trong số chúng ta có thể kết nối được vật lý lý thuyết, cụ thể là ngôn ngữ hình học mô tả lực hấp dẫn, với kỹ thuật dệt may.
Đan dệt, từng được coi là một sở thích có phần nghiêng về giới tính, chứa đựng một lịch sử phong phú và phức tạp xuyên suốt nhiều nền văn minh cổ đại. Từ hàng thiên niên kỷ, con người đã biết cuộn, gập, thắt nút các sợi vải theo ý muốn để tạo ra những mảnh vải dệt phức tạp rồi cuối cùng may chúng thành quần áo, chăn mền. Dẫu nguồn gốc chính xác của việc dệt vải trong lịch sử loài người đã bị lãng quên nhưng những tạo vật dệt bằng sợi lanh thời Ai Cập cổ đại gợi ý là nó có thể có niên đại từ thế kỷ thứ ba đến thứ năm trước Công nguyên. Sang tới thời Trung cổ, kỹ thuật dệt may đã tiến hóa thành một nghề thủ công quan trọng ở khắp châu Âu, nơi nó không chỉ đem lại những bộ quần áo ấm áp mà còn là một biểu tượng về địa vị và kỹ thuật. Nghề dệt trở nên thịnh vượng và phát đạt với những phường hội được hình thành để giám sát và điều phối các hoạt động sản xuất mặt hàng dệt may, và nó dần trở thành một truyền thống kiêu hãnh qua nhiều thế hệ.
Tuy nhiên, bất chấp sự phổ biến của các sản phẩm dệt trong một khoảng thời gian rất dài của lịch sử loài người thì thứ vật lý đằng sau kỹ thuật dệt vẫn còn khó nắm bắt đến lạ lùng.
Bất chấp hàng thế kỷ tích lũy hiểu biết, việc dự đoán về cách các mẫu dệt cụ thể sẽ tác động như thế nào đến sản phẩm cuối cùng vẫn còn vô cùng khó – ngay cả với các công cụ số hiện đại và các thiết bị dệt đã được tự động hóa.
“Dệt là một trong những thứ vô cùng kỳ quặc, dường như là quá đỗi đơn giản và được chúng ta coi là hiển nhiên nhưng lại thực sự hết sức phức tạp”, Lauren Niu, nhà vật lý lý thuyết và học giả khách mời tại ĐH Pennsylvania, nói. Gần đây cô mới chọn thứ nghề thủ công này để nghiên cứu về cách “toán học, cụ thể là hình học, ảnh hưởng đến các đặc trưng cơ học và hành xử của các vật liệu như thế nào”.
Bất chấp hàng thế kỷ tích lũy hiểu biết, việc dự đoán về cách các mẫu hình dệt cụ thể sẽ tác động như thế nào đến sản phẩm cuối cùng vẫn còn vô cùng khó – ngay cả với các công cụ số hiện đại và các thiết bị dệt đã được tự động hóa.
“Nó đã tồn tại quanh chúng ta quá lâu nhưng chúng ta lại không thực sự biết nó hoạt động như thế nào”, Niu lưu ý. “Chúng ta phụ thuộc vào trực giác và quá trình ‘thử và sai’ nhưng việc chuyển hiểu biết đó vào thứ khoa học chính xác, có thể dự đoán là một thách thức”.
Trong một bài báo được xuất bản trên Proceedings of the National Academy of Sciences, Niu và cố vấn của cô, Randall Kamien của trường Khoa học và nghệ thuật ĐH Penn và Geneviève Dion của Trung tâm Vải chức năng tại ĐH Drexel đã trình bày một mô hình có thể mã hóa các thực hành cổ xưa về dệt thông qua việc gán một ngôn ngữ toán học cho các mũi khâu trong kỹ thuật dệt mũi lên (knit) và dệt mũi xuống (purl).
“Cái đẹp và sự mới mẻ trong cách tiếp cận của Lauren là không nên miêu tả về điều đang diễn ra mà là hãy dự đoán nó”, Kamien giải thích. “Chúng tôi đang đề cập đến các công cụ mà chúng tôi sử dụng để nghiên cứu mọi thứ từ lực hấp dẫn đến bong bóng xà phòng và áp dụng nó vào kỹ thuật dệt. Và thật khác thường là nó lại hợp lý”.
Dion tham gia dự án với kinh nghiệm mà bà đã trải nghiệm như một nhà nghiên cứu về kỹ thuật dệt và nhà thiết kế trang phục. Bà coi công trình này như một sự hội tụ của lý thuyết khoa học và các ứng dụng kỹ thuật thực hành.
“Cho đến bây giờ, thiết kế vải dệt vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm, thực nghiệm và trực giác”, bà nói. “Nếu chúng tôi có thể ứng dụng các mô hình có thể dự đoán cho các loại vải dệt thì chúng ta có thể mở cánh cửa mới cho việc dệt vải với các đặc tính được thiết kế chính xác – dù đó có thể là vật liệu dùng trong y khoa có khả năng tự gập, các cấu trúc có thể tái định hình cho các robot mềm hoặc quần áo có thể thích ứng với cơ thể con người theo nhiều cách mới mẻ”.
Giải mã kỹ thuật dệt, từng mũi một
Để xây dựng mô hình tối ưu cho mình, Niu đã mượn các kỹ thuật toán học từ một nguồn bất ngờ: thuyết tương đối tổng quát, lý thuyết vẫn thường được áp dụng để miêu tả những gợn sóng của không thời gian trong vũ trụ của chúng ta. “Không thể phủ nhận rằng, với bất cứ thang đo nào, hình học vẫn đóng một vai trò trung tâm trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ vật lý. Từ cơ chế đàn hồi đến bong bóng xà phòng, và từ quang học đến hấp dẫn, sự đúng đắn của logic hình học đều khiến chúng ta say mê. Thậm chí, với cái tao nhã nội tại và tiềm năng ứng dụng của chúng, nhiều công cụ đã được phát triển để tạo ra được các vật liệu có thể được lắp ráp thành một thứ topo chúng ta muốn”, họ giải thích trong bài báo của mình.
Trong khi lý thuyết giải thích cách hấp dẫn bẻ cong không thời gian, các nhà lý thuyết thử áp dụng các nguyên tắc hình học tương đồng để giải thích cách các đường cuộn vòng của sợi khi dệt vải tạo ra sự uốn cong của vải dệt kim.
“Bắt đầu với quan sát đơn giản là vải dệt kim cuộn lại theo những cách cụ thể nào”, Niu nói. “Hãy nghĩ về lúc bạn cắt tay áo khỏi cái áo phông và nó sẽ cuộn tròn lại; thông thường điều đó có nghĩa là vải áo được dệt bằng mỗi dạng đan mũi lên (knit) – các mũi khâu được kéo ở cả hai mặt của vải, tạo ra các vòng ở cả mặt trước và mặt sau vải. Dệt vải bằng mũi xuống (purls) – đưa kim qua mặt trước của mũi khâu từ phải sang trái – làm vải cong theo hướng khác”.
Trải qua năm tháng, dệt may đã phát triển vượt qua chức năng cơ bản thuần túy của nó để tô điểm thêm bản sắc văn hóa của nhiều xã hội. Trong nhiều nền văn hóa, đan dệt trở thành một hoạt động cộng đồng, thúc đẩy mối liên kết giữa những người phụ nữ có cùng sở thích đan dệt và chia sẻ các câu chuyện đời sống. Các cuộc tụ tập đó thường mang ý nghĩa xã hội, đánh dấu những nghi thức chuyển giao, chúc mừng, thậm chí cả tang lễ. Hoạt động đan dệt trở thành một biểu hiện của bản sắc, vì mỗi vùng khác nhau lại phát triển những mẫu và kỹ thuật đan dệt độc đáo, phản ánh di sản văn hóa của chính mình.
Tuy nhiên, khi kết hợp cả hai kỹ thuật dệt mũi lên và dệt mũi xuống thì “điều kỳ diệu sẽ xảy ra”, Dion nói. “Bạn sẽ có những cấu trúc tự gập một cách lạ thường, nó không chỉ có thể mềm mại và linh hoạt mà còn rất bền chắc”.
Niu giải thích rằng dệt mũi lên, về cốt lõi của nó, là một phương pháp chuyển đổi một chuỗi sợi một chiều thành một tấm vải hai chiều được cấu trúc linh hoạt, có thể tự gập thành những hình dạng ba chiều phức tạp. Các nhà nghiên cứu nhận ra sự chuyển đổi đó có thể được miêu tả về mặt toán học bằng việc sử dụng cùng các nguyên lý chi phối cách các bề mặt cong trong không gian như thế nào.
Thay vì chỉ coi một tấm vải dệt như một tập hợp các vòng ăn khớp với nhau, nhóm nghiên cứu đã xử lý nó như một bề mặt liên tục với một mặt cong ở bên trong được xác định bằng một chuỗi sắp xếp các mũi dệt. Bằng việc áp dụng hình thức vẫn được dùng để miêu ta cách vật liệu uốn cong và giãn dài – được biết như lý thuyết dàn hồi – họ đã xây dựng một mô hình mô phỏng các lực tác động lên các vòng sợi vải và dự đoán cách một miếng vải dệt sẽ bị biến dạng trong không gian như thế nào.
“Cái nhìn sâu sắc này đã ghi nhận rằng việc dệt vải vận hành giống như một vật liệu được lập trình”, Kamien nói. “Bằng việc kiểm soát mẫu đường khâu – chỉ là các mũi lên và mũi xuống – bạn có thể mã hóa một cách cơ bản các kiến thức về cách vải sẽ hành xử sau khi các mũi kim dệt xong nhiệm vụ. Điều đó giải thích tại sao một cái khăn quàng, một cái tất hoặc một áo ấm có thể được làm từ cùng một loại sợi nhưng lại hoạt động vô cùng khác biệt nhau”.
Các mô phỏng tiết lộ, các đặc trưng cơ học của vải dệt kim thường phụ thuộc nhiều vào đặc tính hình học của mũi dệt hơn là vật liệu làm ra nó. Dẫu sợi đó là len, cotton, hay sợi tổng hợp thì xu hướng của vải dệt là cuộn, gập hay giãn nở cũng đều tuân theo các quy tắc hình học phổ quát.
Điều đó cho thấy là việc đan dệt bị các nguyên tắc toán học cơ bản chi phối – có thể khai thác các nguyên tắc này để thiết kế các vật liệu có thể hành xử chính xác, có thể điều chỉnh được. “Thông qua một chuỗi chuyển động trên sợi vải một chiều, kỹ thuật dệt vải có thể tạo ra những cấu trúc phức tạp ba chiều tự gập. Các mô típ hình học tổng quát đều độc lập mới hình thành đều không phụ thuộc vào loại sợi cụ thể được sử dụng, dẫu những loại sợi này là sợi có tính chất đàn hồi, sợi tự nhiên hay sợi tổng hợp”, họ viết trong công bố.
“Nếu chúng ta có thể dự đoán cách một mảnh vải dệt sẽ định hình chính nó bằng việc thay đổi mẫu đường khâu, chúng ta có thể khởi động việc thiết kế các loại vải đa chức năng”. (Geneviève Dion, Trung tâm Vải chức năng, ĐH Drexel)
Nơi dệt gặp kỹ thuật gấp giấy origami
Niu giải thích, công trình này phù hợp với trọng tâm lớn hơn của nhóm nghiên cứu do Kamien dẫn dắt, cụ thể là nghiên cứu về kirigami, nghệ thuật cắt giấy để tạo ra những cấu trúc phức tạp, có thể gập được.
“Kirigami, giống như kỹ thuật dệt, là một ví dụ về cách hình học có thể được sử dụng để mã hóa các đặc trưng vật liệu thành một vật liệu nào đó”, cô nói.
Công trình trước đây của họ đã khám phá ra cách đặt các đường cắt một cách chiến lược vào một tấm vải, một tờ giấy có thể tạo ra những hình dạng ba chiều đặc biệt khi được kéo giãn. Những hiểu biết về kỹ thuật đan dệt còn đưa ý tưởng này đi xa hơn nữa, chứng tỏ nội cấu trúc của một vật liệu – không chỉ là các vết cắt của nó – có thể chế ngự cách nó gập và mở.
“Sự song song giữa đan dệt và kirigami thật thú vị”, Kamien nói. “Ở kirigami, bạn đưa các vết cắt vào; ở đan dệt, bạn đưa thêm các vòng. Nhưng ở cả hai trường hợp, bạn đều có thể lập trình hình học một cách trực tiếp vào vật liệu, vì vậy định hình chính nó mà không cần đến những tác động từ bên ngoài thêm vào như gia nhiệt, treo hoặc dùng thêm lực”…
Bằng hiểu biết quá khứ và thực hành của dệt may, chúng ta có thể hiểu rõ giá trị của nó trong tương lai – một sự đan quyện nghệ thuật, khoa học và cả hành động biểu lộ quan điểm trong một điệu nhảy phức tạp một cách tuyệt đẹp.
Dion đã đặt một thuật ngữ mới cho cách tiếp cận này: knitogami – một hỗn hợp của kỹ thuật đan dệt và kỹ thuật gấp giấy origami nắm bắt ý tưởng vải tự gập. “Chúng tôi gọi nó là knitogami bởi vì nó mở rộng các nguyên tắc của origami thành một vật liệu mềm mại”, bà giải thích.
“Thay vì phụ thuộc vào gập và gấp trên giấy, chúng tôi sử dụng tính đàn hồi và cấu trúc của các vòng để tạo ra các vật liệu cơ động, có thể thay đổi hình dạng”.
Bằng việc lập sơ đồ các nguyên tắc, nhóm nghiên cứu đã phát triển một khung có thể hữu dụng để tạo ra các mảnh vải được lập trình – các loại vải dệt có thể tự định hình chính mình mà không cần các ngoại lực như nhiệt hoặc xếp nếp bằng tay.
“Nếu chúng ta có thể dự đoán cách một mảnh vải dệt sẽ định hình chính nó bằng việc thay đổi mẫu đường khâu, chúng ta có thể khởi động việc thiết kế các loại vải đa chức năng”, Dion nói.
Hãy tưởng tượng một thế giới nơi những tấm vải làm nên trang phục của bạn có thể thích ứng với chuyển động của bạn hoặc các thay đổi của môi trường. Mô hình toán học mà Kamien, Niu, và Dion phát triển cho phép chúng ta có nhiều đổi mới sáng tạo bằng việc nhấn mạnh vào tính hữu dụng của hình học của mũi khâu trên vật liệu. Điều này có thể dẫn đến sự cách mạng hóa trong vật liệu; nó cho thấy cách một tấm vải được cấu trúc có thể ảnh hưởng một cách đáng kể đến tính chất của nó, dẫn đến việc tạo ra những vật liệu vô cùng nhẹ, vô cùng mạnh mẽ để có thể thiết kế riêng cho những chức năng cụ thể, ví dụ đơn giản nhất là những loại vải có thể có tự điều chỉnh cho phù hợp với nhiệt độ môi trường hoặc độ ẩm trong không khí. “Điều này có thể tạo ra các trang phục có thể thích ứng với chuyển động, vải y khoa vừa khít cơ thể hoặc thậm chí là các cấu trúc tự lắp ráp có thể triển khai ở quy mô lớn”, Dion hào hứng nói.
Những gợi ý của nghiên cứu này vượt quá cả phạm vi của nghệ thuật dệt truyền thống. Càng đào sâu vào những đổi mới sáng tạo về vải thông minh và có thể được lập trình, chúng ta có thể có được sự song song giữa mô hình hóa toán học của vật liệu dệt và những tiên tiến của công nghệ dệt. Vải thông minh, vốn tích hợp các cảm biến và vật liệu phản hồi, đều có thể tạo ra những làn sóng mới trong nhiều ngành công nghiệp, từ chăm sóc sức khỏe đến thời trang. Ví dụ, các loại vải có thể giám sát các dấu hiệu quan trọng hoặc điều chỉnh các đặc tính nhiệt dựa trên các điều kiện bên ngoài đang ngày càng trở nên phổ biến. Năng lực tích hợp công nghệ một cách liền mạch vào vải dệt mở ra vô số ứng dụng, chẳng hạn như trang phục thể thao giúp tăng cường hiệu suất thi đấu hoặc quần áo có thể đem lại các phản hồi theo thời gian thực về hoạt động thể chất của con người.
Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tinh chỉnh mô hình của mình để thậm chí kết hợp được những mẫu đường khâu và hành xử phức tạp hơn nữa.
“Giờ thì chúng ta mới tập trung vào những mũi kim cơ bản – các mũi lên và các mũi xuống – nhưng thế giới thật của dệt kim thì giàu có và phong phú hơn nhiều”, Niu nói. “Mục tiêu là áp dụng cách tiếp cận cơ bản này và mở rộng nó để có được những sản phẩm mới như các loại cáp, ren và cả các kỹ thuật tiên tiến khác trên những máy dệt đã được phát triển qua hàng thế kỷ”.
***
Nghiên cứu tại ĐH Pennsylvania, ĐH Drexel được xem như bắc thêm cây cầu qua những khoảng trống giữa dệt may và vật lý lý thuyết, mở ra một cái nhìn mới để có thể trân trọng nghề thủ công hàm chứa nhiều ý nghĩa văn hóa, biểu hiện nghệ thuật và cả tính xã hội này, qua đó nhấn mạnh vào tầm quan trọng của nó trong xã hội hiện đại. Bằng hiểu biết quá khứ và thực hành của dệt may, chúng ta có thể hiểu rõ giá trị của nó trong tương lai – một sự đan quyện nghệ thuật, khoa học và cả hành động biểu lộ quan điểm trong một điệu nhảy phức tạp một cách tuyệt đẹp.
Sự tiến hóa của nghề thủ công như dệt may mời gọi chúng ta tái xem xét ý nghĩa của chúng trong cuộc sống của chúng ta. Việc quan tâm đến các thực hành bền vững, ví dụ như đan lát, ‘thời trang chậm’, phản chiếu mối quan tâm ngày một gia tăng về tác động lên môi trường từ những lựa chọn của chúng ta và khao khát gắn kết mang nhiều ý nghĩa hơn với những vật liệu chúng ta sử dụng.
Nhìn về tương lai, vai trò của các nghề thủ công trong xã hội sẽ tiếp tục tiến hóa bởi những tiến bộ công nghệ và dịch chuyển văn hóa. Những nghiên cứu và đổi mới sáng tạo trong dệt may, đan lát sẽ nhắc nhở rằng sự sáng tạo nghệ thuật và khoa học không hề đối đầu nhau mà còn là những yếu tố hợp lực để có thể dẫn đến những kết quả vô tiền khoáng hậu. Cách tiếp cận liên ngành có thể giúp chúng ta mở ra những khả năng có thể làm giàu hiểu biết của chúng ta về vật liệu và những ứng dụng của nó, cuối cùng làm gia tăng cơ hội sử dụng vải dệt trong đời sống của chúng ta theo nhiều cách khác nhau.
Tiềm năng của những tiên tiến trong tương lai về khoa học vật liệu sẽ mở rộng trí tưởng tượng, mời gọi chúng ta tham gia vào những chuyện kể đang không ngừng mở rộng về dệt may và vị trí của chúng trong thế giới của chúng ta. Dù có thể chỉ đơn giản là hiểu sâu hơn tính nghệ thuật của dệt may, cuộc du hành này có thể sẽ phức tạp như những đường khâu thì nó cũng sẽ gắn kết chúng ta lại với nhau.□
Tô Vân tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2025-02-theoretical-physics.html
https://www.forwardpathway.us/the-intersection-of-knitting-and-theoretical-physics
Bài đăng Tia Sáng số 5/2025
