"Le tricot, c'est du codage" et le fil est programmable dans ce laboratoire de physique

Pour Elisabetta Matsumoto, la théorie des nœuds est la théorie du tricot.

Elisabetta Matsumoto tient un Jitterbug cuboctaédrique à engrenages qu'elle a conçu avec le mathématicien Henry Segerman.Crédit...Johnathon Kelso pour le New York Times

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Par Siobhan Roberts

BOSTON – À la veille de la réunion annuelle de mars de l'American Physical Society, une session dominicale "stitch 'n bitch" s'est tenue pendant l'happy hour dans un bar du hall de l'hôtel Westin Boston Waterfront.

Karen Daniels, physicienne à l'Université d'État de Caroline du Nord, avait tweeté un avis de rencontre plus tôt dans la journée : "Êtes-vous un physicien amateur de tricot, de crochet ou d'autres arts textiles ?" elle a demandé. "C'est moi qui tricoterai un tore." (Un tore est un beignet mathématisé ; le sien a été inspiré par une figure dans l'article scientifique d'un ami.)

Au bar, au milieu de tables encombrées de pelotes de laine, le Dr Daniels a absorbé les conseils de conception d'un groupe de tricoteuses spécialisées, parmi lesquelles Elisabetta Matsumoto, mathématicienne appliquée et physicienne au Georgia Institute of Technology et co-animatrice du rassemblement.

Pour le Dr Matsumoto, le tricot est plus qu'un passe-temps artisanal avec des bienfaits pour la santé. Elle se lance dans un projet de cinq ans, "What a Tangled Web We Weave", financé par la National Science Foundation, pour étudier les mathématiques et la mécanique de "l'ancienne technologie connue sous le nom de tricot".

Certains des exemples les plus anciens datent du XIe siècle en Égypte. Mais malgré des générations de connaissances pratiques et expérientielles, les propriétés physiques et mathématiques du tissu tricoté sont rarement étudiées de manière à produire des modèles prédictifs sur le comportement de ces tissus.

Le Dr Matsumoto soutient que « tricoter, c'est coder » et que le fil est un matériau programmable. Les dividendes potentiels de ses recherches vont de l'électronique portable à l'échafaudage tissulaire.

Au cours de la rencontre de l'happy hour, elle a tricoté un échantillon illustrant une technique de chirurgie plastique appelée Z-plasty. L'échantillon était pour une conférence qu'elle donnerait à 8 heures du matin mercredi matin intitulée "Twisted Topological Tangles". Des dizaines de physiciens se sont présentés, malgré une session parallèle concurrente sur "La mécanique extrême des ballons".

"Je tricote depuis que je suis enfant", a déclaré le Dr Matsumoto à son public (principalement masculin). "C'est ce que j'ai fait pour m'entendre avec ma mère quand j'étais adolescent. C'était juste un rêve de prendre toutes ces choses que j'ai apprises et avec lesquelles j'ai joué quand j'étais enfant et de les transformer en quelque chose de scientifiquement rigoureux."

Dans un premier temps, son équipe énumère toutes les mailles tricotables possibles : "Il va y avoir un nombre infini dénombrable. Comment les classer, c'est ce sur quoi nous travaillons maintenant."

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L'enquête est informée par la tradition mathématique de la théorie des nœuds. Un nœud est un cercle enchevêtré - un cercle incrusté de croisements qui ne peuvent pas être démêlés. (Un cercle sans croisements est un "dénouement".)

"Le point tricoté est toute une série de nœuds coulants, les uns après les autres", a déclaré le Dr Matsumoto. Des rangées et des colonnes de nœuds coulants forment un motif de réseau si régulier qu'il est analogue à la structure cristalline et aux matériaux cristallins.

Par le biais de la théorie des nœuds, le Dr Matsumoto développe essentiellement une théorie du tricot : un alphabet de points de mailles unitaires, un glossaire des combinaisons de points et une grammaire régissant la géométrie et la topologie tricotées - l'extensibilité du tissu ou son "élasticité émergente".

En discutant des propriétés émergentes du tricot, le Dr Matsumoto fait parfois référence à un papillon, le morpho bleu vif. Sa couleur est optiquement émergente, résultat non d'un pigment chimique mais d'une structure. En effet, chaque aile est un métamatériau : recouverte de couches d'écailles nanométriques, disposées selon un motif appelé surface gyroïde, l'aile absorbe la plupart des longueurs d'onde de la lumière, mais réfléchit le bleu.

Le tissu tricoté est également un métamatériau. Une longueur de fil est tout sauf inélastique, mais lorsqu'elle est configurée en nœuds coulants - en motifs de tricots et de mailles envers - différents degrés d'élasticité émergent.

"Juste sur la base de ces deux points, ces deux unités fondamentales, nous pouvons fabriquer toute une série de tissus, et chacun de ces tissus a des propriétés élastiques remarquablement différentes", a déclaré le Dr Matsumoto au public.

Elle a d'abord combiné ses mentalités mathématiques et laineuses en tant que doctorante. étudiant, après avoir admiré l'interprétation au crochet d'un ami du plan hyperbolique (le chou frisé est un exemple végétal) et s'est demandé comment le faire différemment.

"Cela m'a irrité que ce ne soit pas isotrope", se souvient-elle la veille de son discours. Elle pouvait voir où le crochet avait commencé, alors qu'un véritable plan hyperbolique ne devrait trahir aucun point de départ et aucune direction.

Elle s'est dit : "Je peux arranger ça."

Elle a crocheté un réseau d'heptagones en forme de dentelle qui a produit un rendu plus uniforme. Le plan hyperbolique a été son compagnon constant depuis lors. En avril, elle s'est fait tatouer un hélicoïde hyperbolique - une hélice fantastiquement tourbillonnante, un peu comme un coquillage - sur son épaule gauche.

Au cours de sa conférence, le Dr Matsumoto a fait circuler ses échantillons tricotés à la main : jersey (maillot standard, assez extensible, utilisé pour les t-shirts) ; jarretière (civière); bord-côte (le plus extensible); et graine (pas si extensible, mais l'un de ses favoris).

Une fraction importante de son public a également fait étalage de ses tricots à la main – des pulls, des chapeaux, une bouteille d'eau douillette, des œuvres indéterminées en cours. La création tricotée à la main la plus prisée du Dr Matsumoto est son châle "dragon du bonheur" (d'après un dessin de la tricoteuse Sharon Winsauer, alias la Crazy Lace Lady).

En tricotant pendant deux mois, le Dr Matsumoto a rencontré un point dans la barbe du dragon qu'elle n'avait jamais vu auparavant.

"Dans le motif du dragon, il y a tous ces points fous", a-t-elle déclaré – des points qui occupaient non seulement une seule cellule sur la grille du motif, mais s'étendaient sur de nombreuses cellules, semblant suivre un réseau horizontal plutôt que l'orientation verticale habituelle.

La théorie du tricot de son équipe intégrera ces morphologies de points et d'autres, ainsi que les défauts et contraintes de points intentionnels, tels que la façon dont un fil se plie, se tord et se comprime ; combien de plis il a, quelle est son épaisseur et à quel point "floofy".

Floofiness fait référence à la "zone de halo d'un fil, où les fibres floues éphémères ressortent", a déclaré le Dr Matsumoto, et cela change la façon dont deux morceaux de fil interagissent, leur friction et leur échange d'énergie. "J'adorerais écrire un article en utilisant le mot 'floofy' comme terme technique."

La présentation du Dr Matsumoto a ouvert une session de trois heures intitulée "Fabrics, Knits and Knots" - la première fois que le sujet était abordé lors de la réunion annuelle de l'American Physical Society.

"Sabetta est d'une créativité spectaculaire, et elle fait un travail vraiment sophistiqué sur le plan mathématique", a déclaré Pedro Reis, l'organisateur de la session, qui dirige le Laboratoire des structures flexibles à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. "Elle attire également beaucoup de gens sur le terrain qui, autrement, ne penseraient peut-être même pas à la science."

Au cours de ses remarques liminaires, le Dr Reis a eu une rencontre frustrante avec un cordon de microphone entrelacé. "C'est un bon exemple de la raison pour laquelle nous nous soucions vraiment de ce sujet", a-t-il déclaré.

Le Dr Reis s'attaque à des problèmes tels que le nouage de lacets à la main, les nœuds d'escalade, le tissage de paniers, les sutures chirurgicales et la façon de transmettre l'art de l'artisanat des nœuds chirurgicaux aux robots. Au cours de la session, ses collègues de laboratoire ont décrit comment ils avaient utilisé un scanner pour sonder la structure interne des filaments de nœuds et la friction qui se produit là où les filaments se touchent. Après la réunion, le Dr Matsumoto l'a renvoyé chez lui avec certains de ses échantillons.

Derek Moulton, de l'Université d'Oxford, a mentionné des variantes des nœuds marins, des nœuds d'ADN et de protéines, et des vers qui se nouent en nœuds afin de minimiser la déshydratation. Il a poursuivi en discutant "si un filament noué avec zéro point d'auto-contact peut être réalisé physiquement". Autrement dit, un nœud peut-il exister là où aucun de ses croisements ne se touche ? (C'est possible ; essayez-le à la maison avec une bande de papier ou un cordon.)

Et Thomas Plumb-Reyes, physicien appliqué à Harvard, a présenté ses recherches sur "Detangling Hair" à un public debout.

« Que se passe-t-il dans les cheveux emmêlés ? Il a demandé. « Quelle est la stratégie de peignage optimale ? »

Shashank Markande, un doctorat. étudiant travaillant avec le Dr Matsumoto, a rendu compte de son travail de classification des points jusqu'à présent. Ensemble, ils avaient dérivé une conjecture : tous les points de tricot doivent être des nœuds de ruban. (Un nœud de ruban est un enchevêtrement très technique.) Et ils ont réfléchi au corollaire : tous les nœuds de ruban sont-ils tricotables ?

En février dernier, M. Markande (qui n'a commencé à tricoter que récemment pour des raisons scientifiques) pensait avoir trouvé un exemple de nœud de ruban impossible à tricoter, en utilisant un logiciel de nœuds et de liens appelé SnapPy. Il a envoyé au Dr Matsumoto un SMS avec un croquis : "Dites-moi si cela peut être tricoté ?"

Le Dr Matsumoto partait juste pour une course, et au moment où elle est revenue, après avoir manipulé le fil dans tous les sens dans sa tête, elle avait trouvé une réponse. "Je pense que cela peut être tricoté", a-t-elle répondu par SMS. Lorsque M. Markande l'a pressée sur la manière, elle a ajouté: "C'est tricotable selon nos règles, mais ce n'est pas trivial à faire avec des aiguilles."

M. Markande a dit plus tard : "J'ai été assez surpris. Avec mes connaissances limitées, je pensais qu'il ne pouvait pas être tricoté. Mais Sabetta a réussi à le tricoter."

Pour le projet Tangled Web, la majeure partie du tricot expérimental est produite par une réplique d'une machine à tricoter vintage des années 1970, la machine à tricoter industrielle et domestique Taitexma modèle TH-860, qui est exploitée par Krishma Singal, une doctorante. La machine peut également être programmée par cartes perforées - comme l'était le métier Jacquard, inventé en 1804 par Joseph Marie Jacquard et parfois appelé la première technologie numérique.

L'équipe du Dr Matsumoto aime contempler comment les motifs de points fournissent un code - un code plus complexe que les 1 et les 0 du binaire - qui crée le programme pour l'élasticité et la géométrie du tissu tricoté. Le mot à la mode est "matériaux topologiques programmables", a déclaré le postdoc Michael Dimitriyev.

Il travaille sur une simulation informatique de tissu tricoté, saisissant les propriétés du fil et la topologie des points, et produisant la géométrie et l'élasticité de l'objet fini réel. "Je suis le rabat-joie qui apporte de l'élasticité", aime-t-il à dire.

Le premier article de l'équipe, actuellement en cours, vérifiera les simulations du Dr Dimitriyev par rapport aux échantillons papier de Mme Singal. Une fois la simulation informatique affinée, le Dr Matsumoto et ses collaborateurs peuvent extraire des équations et des algorithmes pour le comportement des tissus tricotés, qui à leur tour pourraient être intégrés dans des moteurs physiques pour les graphiques de jeux informatiques ou les films.

"Brave" et "Monsters, Inc." de Pixar a présenté une animation de pointe des cheveux et de la fourrure, mais le fil n'a pas encore eu son temps sous les projecteurs. L'animation de tissu est encore très tâtonnante et nécessite des superordinateurs chronophages pour le rendu.

"Cela pourrait aller dans cette direction", a déclaré le Dr Matsumoto. C'est un bon fil, même s'il n'est qu'au début, et encore un peu flou sur les bords.

Une version antérieure de cet article déformait l'âge de certains des plus anciens exemples de tricot. Ils datent du 11ème siècle, pas du 11ème siècle avant notre ère

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