人工設(shè)計的機(jī)械要實現(xiàn)可變性，往往需要用剛性部件組裝成復(fù)雜、但效率低下的系統(tǒng)，而且可變性和強(qiáng)度通常只能二中選一。柔性或彈性設(shè)計，是利用可變性的工程學(xué)方法，將負(fù)載分布在由盡可能少的部件構(gòu)成的可變形設(shè)備上。利用這種方法，可以設(shè)計制造一系列新型機(jī)械(例如可變形機(jī)翼和蛇形機(jī)器人)，并能開辟一條全新的途徑，提升各種設(shè)備的耐久性和效率。
大自然中的“機(jī)械”
對于柔性機(jī)械，我們其實并不陌生。弓應(yīng)該算是其中最古老，也最精巧的例子了。這種強(qiáng)力而又柔韌的結(jié)構(gòu)能夠可靠地反復(fù)工作，并保持穩(wěn)定的精確度。另一個例子是洗發(fā)水瓶蓋：這是一種單形態(tài)裝置，由一個容易開啟的瓶蓋和與之相連的、能擰到瓶體上的密封圈構(gòu)成，其中沒有一個機(jī)械鉸鏈。還有一個例子：在醫(yī)院里廣泛使用的一次性醫(yī)用鑷子。
不過，最成功的彈性設(shè)計還是那些大自然的杰作。無論是樹木枝杈、鳥類翅膀、螃蟹的腿，還是大象的長鼻，無不既柔韌又牢固。與齒輪、滑塊和彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)不同，“自然機(jī)械”的彎折、卷曲和伸縮都是利用內(nèi)部彈性來實現(xiàn)的。
對于設(shè)計強(qiáng)力而堅固的結(jié)構(gòu)(例如橋梁和建筑)，人類已經(jīng)積累了幾千年的經(jīng)驗。多數(shù)情況下，我們會使用牢固堅硬的材料。在這種模式里，追求的是硬度，柔性則是要避免的。實際上，對于剛性結(jié)構(gòu)來說，只有在設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)時，才會考慮形變的需求。
相反，柔性設(shè)計卻需要形變。如果某個可彎曲點承受的壓力過大，我們就把它做得更薄，而不是更厚。這是因為，柔性結(jié)構(gòu)的特點就是利用彈性來實現(xiàn)機(jī)械或動力學(xué)功能。
微機(jī)電系統(tǒng)
在上世紀(jì)90年代初，我開始對小型機(jī)械——微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)產(chǎn)生了興趣。那也是由于當(dāng)時的大環(huán)境所致，因為通信公司對研發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò)中的微小光學(xué)開關(guān)很感興趣。他們需使用非常小的電動機(jī)極其迅速地改變鏡面角度，從而將光學(xué)信號導(dǎo)向特定方向。受到沃格爾的著作啟發(fā)，而開始探索彈性設(shè)計后不久，我就開始同他的研究小組合作，在美國桑迪亞國家實驗室微系統(tǒng)部門開展了一個研究項目。在那里，我們追求的目標(biāo)是實現(xiàn)單形態(tài)設(shè)計。
桑迪亞實驗室想要制造一種線性電動機(jī)，需要具有足夠的位移輸出(至少10微米)。然而，靜電式電動機(jī)的裝配方式，決定了其位移不會超過2微米。我知道自己不能簡單地將齒輪變速器等機(jī)械微型化。因為即便能找到手足夠穩(wěn)的人，最終能將這些尺寸僅有1～2微米的齒輪、鉸鏈和曲軸組裝成機(jī)械，這對現(xiàn)代工程學(xué)來說也過于草率了。而在MEMS尺度上，那些間隙僅有十分之一微米的微機(jī)械就像“七巧板”一樣，可以組裝成許多不同的裝置。此外，同集成電路類似，MEMS器件可以批量生產(chǎn)，數(shù)萬個器件可以容納在一個拇指指甲大小的區(qū)域內(nèi)。在這種尺度上設(shè)計機(jī)械裝置，與其說是創(chuàng)新，倒不如說是一種來自需求的牽引。有鑒于此，我設(shè)計了一種單形態(tài)運(yùn)動放大器，同靜電電動機(jī)集成在一起，可以產(chǎn)生20微米的位移輸出。
彈性機(jī)翼
在我選擇柔性設(shè)計研究的眾多原因里，最吸引我的是形狀調(diào)整(或稱為“變形”)功能。這種可以隨時對結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整的能力，讓大自然創(chuàng)造的機(jī)械能以最高效率工作。萊特兄弟在他們最初的飛行器上，就已經(jīng)探索過一種機(jī)翼變形技術(shù)——扭轉(zhuǎn)翼。但是，在現(xiàn)代飛機(jī)上通過改變機(jī)翼的彎曲度來適應(yīng)不同的飛行狀態(tài)，仍是數(shù)十年來難以攻克的目標(biāo)。
我偶然在報紙上看到一則廣告，與上世紀(jì)80年代末在美國俄亥俄州萊特—帕特森空軍基地進(jìn)行的可彎曲機(jī)翼研究有關(guān)，研究人員把這種機(jī)翼稱為“任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼”(MAW)。為此，我聯(lián)系了那里的研究人員。
據(jù)他們介紹，在先前的變形機(jī)翼的制造工作中，絕大多數(shù)都采用剛性結(jié)構(gòu)，由許多大功率致動器驅(qū)動那些復(fù)雜、沉重的機(jī)械裝置，使機(jī)翼結(jié)構(gòu)彎折成不同的幾何形狀。有一次，工程師們采用彈性結(jié)構(gòu)對一架F-111戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行了改裝。雖然這種自適應(yīng)性機(jī)翼在空氣動力學(xué)上展示出一些優(yōu)勢，但對于實際應(yīng)用來說，這種結(jié)構(gòu)還是過于沉重和復(fù)雜了。對此我并不感到意外。因為，要想設(shè)計出一種實用的可變形機(jī)翼，就得設(shè)法滿足許多相互矛盾的需求。機(jī)翼既要很輕，又要足夠牢固;既要易于制造和維修，又要具有足夠的耐受性。
在我向萊特—帕特森空軍基地提交的彈性機(jī)翼設(shè)計中，利用了部分試驗性組件的彈性特性。這些組件完全由傳統(tǒng)的鋁以及復(fù)合材料制成。這種機(jī)翼具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以在其內(nèi)置緊湊型電動機(jī)的作用下迅速產(chǎn)生形變，而且風(fēng)洞測試表明，它在受外界強(qiáng)力作用的情況下，也能保持牢固的結(jié)構(gòu)。2000年12月，我成立了一家名為彈性系統(tǒng)的公司，來研究柔性設(shè)計的實際應(yīng)用。6年后，彈性機(jī)翼的研究取得了顯著進(jìn)展，并成功地完成了一系列風(fēng)洞測試。根據(jù)計劃，在NASA尼爾·A·阿姆斯特朗飛行研究中心進(jìn)行的飛行試驗將于今年7月進(jìn)行。
會攀爬的機(jī)器
無外骨骼動物是地球上最具彈性的自然結(jié)構(gòu)。受到這類動物的啟發(fā)，我和我的研究生們一起進(jìn)行了一系列研究。我們最近才了解到，包括環(huán)節(jié)動物和線蟲類動物等某些生命形式，具有一些最令人不可思議的運(yùn)動方式。而像章魚這種人們已經(jīng)很熟悉的范例，則是彈性工程學(xué)的最高奮斗目標(biāo)。
蠕蟲和章魚這樣的軟體動物沒有外部骨骼結(jié)構(gòu)，不過這并不妨礙它們或迅猛或柔緩地運(yùn)動。在大多數(shù)情況下，它們都是利用所謂“彈性流體”特性做到這一點的。用工程學(xué)術(shù)語來說，它們的身體具有“流體靜力性”——即由一個充滿液體的加壓腔體，以及周圍包裹著的結(jié)締組織纖維和肌肉構(gòu)成。
雖然，我們對彈性流體的研究依然處于初級階段，但是我們已經(jīng)設(shè)想到可以利用這些特性來制造“軟體機(jī)器人”，以及其他能夠安全地同人體和環(huán)境進(jìn)行交互的設(shè)備。不過，彈性流體最早的應(yīng)用極可能是矯形器。例如，對于因肌肉硬化癥、關(guān)節(jié)畸形或硬化造成上肢攣縮的病人來說，可以使用柔性矯形器，逐漸將上肢校正到正常位置。
商用前景
得益于彈性系統(tǒng)公司工程師們的努力，我們耗時數(shù)年研發(fā)的一些設(shè)備目前已經(jīng)接近商品化。我們的單形態(tài)擋風(fēng)玻璃雨刷器已經(jīng)完成了多種天氣條件下的測試，生產(chǎn)模具也已制成。關(guān)于將其用作汽車后窗雨刷器的設(shè)想，目前也正在同汽車生產(chǎn)商和一級供應(yīng)商進(jìn)行恰談。一旦投入市場，它將會比同類產(chǎn)品更加耐用和可靠，而且生產(chǎn)成本也會更低。
我們的可形變機(jī)翼現(xiàn)在也隨時可以投入商業(yè)應(yīng)用。如果僅僅將現(xiàn)有襟翼外緣的15%更換為可變形副襟翼，就可以節(jié)省5%的航空燃油。而如果將整個襟翼換成無縫的彈性箔片，則可以節(jié)約12%的燃油。盡管要獲得美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證可能還需要數(shù)年時間，但我們相信，一旦得到航空業(yè)的信任，可變形機(jī)翼極有可能完全取代所有固定翼飛機(jī)上的傳統(tǒng)鉸接式襟翼。
此外，由于彈性設(shè)計能夠大幅降低設(shè)備中的零件數(shù)量，它在汽車、家用電器、醫(yī)藥衛(wèi)生和消費(fèi)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。不過，最大的挑戰(zhàn)是，要讓產(chǎn)業(yè)界的設(shè)計師們了解彈性設(shè)計。我們面臨的另外一個重要問題是，目前還沒有易用的彈性設(shè)計軟件工具。不過，在美國國家科學(xué)基金的資助下，彈性系統(tǒng)公司正在開發(fā)這方面的軟件。
雖然彈性設(shè)計的規(guī)模化在數(shù)年內(nèi)還無法實現(xiàn)，但是我們認(rèn)為廣泛的應(yīng)用必將實現(xiàn)。彈性設(shè)計給強(qiáng)度、精度、多用途和效率等方面帶來的提升，將為不同行業(yè)的工程師提供一套全新的工具。很快，所有人都將開始感受到它的巨大力量。
大自然中的“機(jī)械”
對于柔性機(jī)械，我們其實并不陌生。弓應(yīng)該算是其中最古老，也最精巧的例子了。這種強(qiáng)力而又柔韌的結(jié)構(gòu)能夠可靠地反復(fù)工作，并保持穩(wěn)定的精確度。另一個例子是洗發(fā)水瓶蓋：這是一種單形態(tài)裝置，由一個容易開啟的瓶蓋和與之相連的、能擰到瓶體上的密封圈構(gòu)成，其中沒有一個機(jī)械鉸鏈。還有一個例子：在醫(yī)院里廣泛使用的一次性醫(yī)用鑷子。
不過，最成功的彈性設(shè)計還是那些大自然的杰作。無論是樹木枝杈、鳥類翅膀、螃蟹的腿，還是大象的長鼻，無不既柔韌又牢固。與齒輪、滑塊和彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)不同，“自然機(jī)械”的彎折、卷曲和伸縮都是利用內(nèi)部彈性來實現(xiàn)的。
對于設(shè)計強(qiáng)力而堅固的結(jié)構(gòu)(例如橋梁和建筑)，人類已經(jīng)積累了幾千年的經(jīng)驗。多數(shù)情況下，我們會使用牢固堅硬的材料。在這種模式里，追求的是硬度，柔性則是要避免的。實際上，對于剛性結(jié)構(gòu)來說，只有在設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)時，才會考慮形變的需求。
相反，柔性設(shè)計卻需要形變。如果某個可彎曲點承受的壓力過大，我們就把它做得更薄，而不是更厚。這是因為，柔性結(jié)構(gòu)的特點就是利用彈性來實現(xiàn)機(jī)械或動力學(xué)功能。
微機(jī)電系統(tǒng)
在上世紀(jì)90年代初，我開始對小型機(jī)械——微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)產(chǎn)生了興趣。那也是由于當(dāng)時的大環(huán)境所致，因為通信公司對研發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò)中的微小光學(xué)開關(guān)很感興趣。他們需使用非常小的電動機(jī)極其迅速地改變鏡面角度，從而將光學(xué)信號導(dǎo)向特定方向。受到沃格爾的著作啟發(fā)，而開始探索彈性設(shè)計后不久，我就開始同他的研究小組合作，在美國桑迪亞國家實驗室微系統(tǒng)部門開展了一個研究項目。在那里，我們追求的目標(biāo)是實現(xiàn)單形態(tài)設(shè)計。
桑迪亞實驗室想要制造一種線性電動機(jī)，需要具有足夠的位移輸出(至少10微米)。然而，靜電式電動機(jī)的裝配方式，決定了其位移不會超過2微米。我知道自己不能簡單地將齒輪變速器等機(jī)械微型化。因為即便能找到手足夠穩(wěn)的人，最終能將這些尺寸僅有1～2微米的齒輪、鉸鏈和曲軸組裝成機(jī)械，這對現(xiàn)代工程學(xué)來說也過于草率了。而在MEMS尺度上，那些間隙僅有十分之一微米的微機(jī)械就像“七巧板”一樣，可以組裝成許多不同的裝置。此外，同集成電路類似，MEMS器件可以批量生產(chǎn)，數(shù)萬個器件可以容納在一個拇指指甲大小的區(qū)域內(nèi)。在這種尺度上設(shè)計機(jī)械裝置，與其說是創(chuàng)新，倒不如說是一種來自需求的牽引。有鑒于此，我設(shè)計了一種單形態(tài)運(yùn)動放大器，同靜電電動機(jī)集成在一起，可以產(chǎn)生20微米的位移輸出。
彈性機(jī)翼
在我選擇柔性設(shè)計研究的眾多原因里，最吸引我的是形狀調(diào)整(或稱為“變形”)功能。這種可以隨時對結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整的能力，讓大自然創(chuàng)造的機(jī)械能以最高效率工作。萊特兄弟在他們最初的飛行器上，就已經(jīng)探索過一種機(jī)翼變形技術(shù)——扭轉(zhuǎn)翼。但是，在現(xiàn)代飛機(jī)上通過改變機(jī)翼的彎曲度來適應(yīng)不同的飛行狀態(tài)，仍是數(shù)十年來難以攻克的目標(biāo)。
我偶然在報紙上看到一則廣告，與上世紀(jì)80年代末在美國俄亥俄州萊特—帕特森空軍基地進(jìn)行的可彎曲機(jī)翼研究有關(guān)，研究人員把這種機(jī)翼稱為“任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼”(MAW)。為此，我聯(lián)系了那里的研究人員。
據(jù)他們介紹，在先前的變形機(jī)翼的制造工作中，絕大多數(shù)都采用剛性結(jié)構(gòu)，由許多大功率致動器驅(qū)動那些復(fù)雜、沉重的機(jī)械裝置，使機(jī)翼結(jié)構(gòu)彎折成不同的幾何形狀。有一次，工程師們采用彈性結(jié)構(gòu)對一架F-111戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行了改裝。雖然這種自適應(yīng)性機(jī)翼在空氣動力學(xué)上展示出一些優(yōu)勢，但對于實際應(yīng)用來說，這種結(jié)構(gòu)還是過于沉重和復(fù)雜了。對此我并不感到意外。因為，要想設(shè)計出一種實用的可變形機(jī)翼，就得設(shè)法滿足許多相互矛盾的需求。機(jī)翼既要很輕，又要足夠牢固;既要易于制造和維修，又要具有足夠的耐受性。
在我向萊特—帕特森空軍基地提交的彈性機(jī)翼設(shè)計中，利用了部分試驗性組件的彈性特性。這些組件完全由傳統(tǒng)的鋁以及復(fù)合材料制成。這種機(jī)翼具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以在其內(nèi)置緊湊型電動機(jī)的作用下迅速產(chǎn)生形變，而且風(fēng)洞測試表明，它在受外界強(qiáng)力作用的情況下，也能保持牢固的結(jié)構(gòu)。2000年12月，我成立了一家名為彈性系統(tǒng)的公司，來研究柔性設(shè)計的實際應(yīng)用。6年后，彈性機(jī)翼的研究取得了顯著進(jìn)展，并成功地完成了一系列風(fēng)洞測試。根據(jù)計劃，在NASA尼爾·A·阿姆斯特朗飛行研究中心進(jìn)行的飛行試驗將于今年7月進(jìn)行。
會攀爬的機(jī)器
無外骨骼動物是地球上最具彈性的自然結(jié)構(gòu)。受到這類動物的啟發(fā)，我和我的研究生們一起進(jìn)行了一系列研究。我們最近才了解到，包括環(huán)節(jié)動物和線蟲類動物等某些生命形式，具有一些最令人不可思議的運(yùn)動方式。而像章魚這種人們已經(jīng)很熟悉的范例，則是彈性工程學(xué)的最高奮斗目標(biāo)。
蠕蟲和章魚這樣的軟體動物沒有外部骨骼結(jié)構(gòu)，不過這并不妨礙它們或迅猛或柔緩地運(yùn)動。在大多數(shù)情況下，它們都是利用所謂“彈性流體”特性做到這一點的。用工程學(xué)術(shù)語來說，它們的身體具有“流體靜力性”——即由一個充滿液體的加壓腔體，以及周圍包裹著的結(jié)締組織纖維和肌肉構(gòu)成。
雖然，我們對彈性流體的研究依然處于初級階段，但是我們已經(jīng)設(shè)想到可以利用這些特性來制造“軟體機(jī)器人”，以及其他能夠安全地同人體和環(huán)境進(jìn)行交互的設(shè)備。不過，彈性流體最早的應(yīng)用極可能是矯形器。例如，對于因肌肉硬化癥、關(guān)節(jié)畸形或硬化造成上肢攣縮的病人來說，可以使用柔性矯形器，逐漸將上肢校正到正常位置。
商用前景
得益于彈性系統(tǒng)公司工程師們的努力，我們耗時數(shù)年研發(fā)的一些設(shè)備目前已經(jīng)接近商品化。我們的單形態(tài)擋風(fēng)玻璃雨刷器已經(jīng)完成了多種天氣條件下的測試，生產(chǎn)模具也已制成。關(guān)于將其用作汽車后窗雨刷器的設(shè)想，目前也正在同汽車生產(chǎn)商和一級供應(yīng)商進(jìn)行恰談。一旦投入市場，它將會比同類產(chǎn)品更加耐用和可靠，而且生產(chǎn)成本也會更低。
我們的可形變機(jī)翼現(xiàn)在也隨時可以投入商業(yè)應(yīng)用。如果僅僅將現(xiàn)有襟翼外緣的15%更換為可變形副襟翼，就可以節(jié)省5%的航空燃油。而如果將整個襟翼換成無縫的彈性箔片，則可以節(jié)約12%的燃油。盡管要獲得美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證可能還需要數(shù)年時間，但我們相信，一旦得到航空業(yè)的信任，可變形機(jī)翼極有可能完全取代所有固定翼飛機(jī)上的傳統(tǒng)鉸接式襟翼。
此外，由于彈性設(shè)計能夠大幅降低設(shè)備中的零件數(shù)量，它在汽車、家用電器、醫(yī)藥衛(wèi)生和消費(fèi)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。不過，最大的挑戰(zhàn)是，要讓產(chǎn)業(yè)界的設(shè)計師們了解彈性設(shè)計。我們面臨的另外一個重要問題是，目前還沒有易用的彈性設(shè)計軟件工具。不過，在美國國家科學(xué)基金的資助下，彈性系統(tǒng)公司正在開發(fā)這方面的軟件。
雖然彈性設(shè)計的規(guī)模化在數(shù)年內(nèi)還無法實現(xiàn)，但是我們認(rèn)為廣泛的應(yīng)用必將實現(xiàn)。彈性設(shè)計給強(qiáng)度、精度、多用途和效率等方面帶來的提升，將為不同行業(yè)的工程師提供一套全新的工具。很快，所有人都將開始感受到它的巨大力量。
