人工设计的机械要实现可变性，往往需要用刚性部件组装成复杂、但效率低下的系统，而且可变性和强度通常只能二中选一。柔性或弹性设计，是利用可变性的工程学方法，将负载分布在由尽可能少的部件构成的可变形设备上。利用这种方法，可以设计制造一系列新型机械(例如可变形机翼和蛇形机器人)，并能开辟一条全新的途径，提升各种设备的耐久性和效率。
大自然中的“机械”
对于柔性机械，我们其实并不陌生。弓应该算是其中最古老，也最精巧的例子了。这种强力而又柔韧的结构能够可靠地反复工作，并保持稳定的精确度。另一个例子是洗发水瓶盖：这是一种单形态装置，由一个容易开启的瓶盖和与之相连的、能拧到瓶体上的密封圈构成，其中没有一个机械铰链。还有一个例子：在医院里广泛使用的一次性医用镊子。
不过，最成功的弹性设计还是那些大自然的杰作。无论是树木枝杈、鸟类翅膀、螃蟹的腿，还是大象的长鼻，无不既柔韧又牢固。与齿轮、滑块和弹簧构成的系统不同，“自然机械”的弯折、卷曲和伸缩都是利用内部弹性来实现的。
对于设计强力而坚固的结构(例如桥梁和建筑)，人类已经积累了几千年的经验。多数情况下，我们会使用牢固坚硬的材料。在这种模式里，追求的是硬度，柔性则是要避免的。实际上，对于刚性结构来说，只有在设计抗震结构时，才会考虑形变的需求。
相反，柔性设计却需要形变。如果某个可弯曲点承受的压力过大，我们就把它做得更薄，而不是更厚。这是因为，柔性结构的特点就是利用弹性来实现机械或动力学功能。
微机电系统
在上世纪90年代初，我开始对小型机械——微机电系统(MEMS)产生了兴趣。那也是由于当时的大环境所致，因为通信公司对研发光纤网络中的微小光学开关很感兴趣。他们需使用非常小的电动机极其迅速地改变镜面角度，从而将光学信号导向特定方向。受到沃格尔的著作启发，而开始探索弹性设计后不久，我就开始同他的研究小组合作，在美国桑迪亚国家实验室微系统部门开展了一个研究项目。在那里，我们追求的目标是实现单形态设计。
桑迪亚实验室想要制造一种线性电动机，需要具有足够的位移输出(至少10微米)。然而，静电式电动机的装配方式，决定了其位移不会超过2微米。我知道自己不能简单地将齿轮变速器等机械微型化。因为即便能找到手足够稳的人，最终能将这些尺寸仅有1～2微米的齿轮、铰链和曲轴组装成机械，这对现代工程学来说也过于草率了。而在MEMS尺度上，那些间隙仅有十分之一微米的微机械就像“七巧板”一样，可以组装成许多不同的装置。此外，同集成电路类似，MEMS器件可以批量生产，数万个器件可以容纳在一个拇指指甲大小的区域内。在这种尺度上设计机械装置，与其说是创新，倒不如说是一种来自需求的牵引。有鉴于此，我设计了一种单形态运动放大器，同静电电动机集成在一起，可以产生20微米的位移输出。
弹性机翼
在我选择柔性设计研究的众多原因里，最吸引我的是形状调整(或称为“变形”)功能。这种可以随时对结构的几何形状进行调整的能力，让大自然创造的机械能以最高效率工作。莱特兄弟在他们最初的飞行器上，就已经探索过一种机翼变形技术——扭转翼。但是，在现代飞机上通过改变机翼的弯曲度来适应不同的飞行状态，仍是数十年来难以攻克的目标。
我偶然在报纸上看到一则广告，与上世纪80年代末在美国俄亥俄州莱特—帕特森空军基地进行的可弯曲机翼研究有关，研究人员把这种机翼称为“任务自适应机翼”(MAW)。为此，我联系了那里的研究人员。
据他们介绍，在先前的变形机翼的制造工作中，绝大多数都采用刚性结构，由许多大功率致动器驱动那些复杂、沉重的机械装置，使机翼结构弯折成不同的几何形状。有一次，工程师们采用弹性结构对一架F-111战斗机的机翼进行了改装。虽然这种自适应性机翼在空气动力学上展示出一些优势，但对于实际应用来说，这种结构还是过于沉重和复杂了。对此我并不感到意外。因为，要想设计出一种实用的可变形机翼，就得设法满足许多相互矛盾的需求。机翼既要很轻，又要足够牢固;既要易于制造和维修，又要具有足够的耐受性。
在我向莱特—帕特森空军基地提交的弹性机翼设计中，利用了部分试验性组件的弹性特性。这些组件完全由传统的铝以及复合材料制成。这种机翼具有特殊的内部结构，可以在其内置紧凑型电动机的作用下迅速产生形变，而且风洞测试表明，它在受外界强力作用的情况下，也能保持牢固的结构。2000年12月，我成立了一家名为弹性系统的公司，来研究柔性设计的实际应用。6年后，弹性机翼的研究取得了显著进展，并成功地完成了一系列风洞测试。根据计划，在NASA尼尔·A·阿姆斯特朗飞行研究中心进行的飞行试验将于今年7月进行。
会攀爬的机器
无外骨骼动物是地球上最具弹性的自然结构。受到这类动物的启发，我和我的研究生们一起进行了一系列研究。我们最近才了解到，包括环节动物和线虫类动物等某些生命形式，具有一些最令人不可思议的运动方式。而像章鱼这种人们已经很熟悉的范例，则是弹性工程学的最高奋斗目标。
蠕虫和章鱼这样的软体动物没有外部骨骼结构，不过这并不妨碍它们或迅猛或柔缓地运动。在大多数情况下，它们都是利用所谓“弹性流体”特性做到这一点的。用工程学术语来说，它们的身体具有“流体静力性”——即由一个充满液体的加压腔体，以及周围包裹着的结缔组织纤维和肌肉构成。
虽然，我们对弹性流体的研究依然处于初级阶段，但是我们已经设想到可以利用这些特性来制造“软体机器人”，以及其他能够安全地同人体和环境进行交互的设备。不过，弹性流体最早的应用极可能是矫形器。例如，对于因肌肉硬化症、关节畸形或硬化造成上肢挛缩的病人来说，可以使用柔性矫形器，逐渐将上肢校正到正常位置。
商用前景
得益于弹性系统公司工程师们的努力，我们耗时数年研发的一些设备目前已经接近商品化。我们的单形态挡风玻璃雨刷器已经完成了多种天气条件下的测试，生产模具也已制成。关于将其用作汽车后窗雨刷器的设想，目前也正在同汽车生产商和一级供应商进行恰谈。一旦投入市场，它将会比同类产品更加耐用和可靠，而且生产成本也会更低。
我们的可形变机翼现在也随时可以投入商业应用。如果仅仅将现有襟翼外缘的15%更换为可变形副襟翼，就可以节省5%的航空燃油。而如果将整个襟翼换成无缝的弹性箔片，则可以节约12%的燃油。尽管要获得美国联邦航空管理局的认证可能还需要数年时间，但我们相信，一旦得到航空业的信任，可变形机翼极有可能完全取代所有固定翼飞机上的传统铰接式襟翼。
此外，由于弹性设计能够大幅降低设备中的零件数量，它在汽车、家用电器、医药卫生和消费领域也有广阔的应用前景。不过，最大的挑战是，要让产业界的设计师们了解弹性设计。我们面临的另外一个重要问题是，目前还没有易用的弹性设计软件工具。不过，在美国国家科学基金的资助下，弹性系统公司正在开发这方面的软件。
虽然弹性设计的规模化在数年内还无法实现，但是我们认为广泛的应用必将实现。弹性设计给强度、精度、多用途和效率等方面带来的提升，将为不同行业的工程师提供一套全新的工具。很快，所有人都将开始感受到它的巨大力量。
大自然中的“机械”
对于柔性机械，我们其实并不陌生。弓应该算是其中最古老，也最精巧的例子了。这种强力而又柔韧的结构能够可靠地反复工作，并保持稳定的精确度。另一个例子是洗发水瓶盖：这是一种单形态装置，由一个容易开启的瓶盖和与之相连的、能拧到瓶体上的密封圈构成，其中没有一个机械铰链。还有一个例子：在医院里广泛使用的一次性医用镊子。
不过，最成功的弹性设计还是那些大自然的杰作。无论是树木枝杈、鸟类翅膀、螃蟹的腿，还是大象的长鼻，无不既柔韧又牢固。与齿轮、滑块和弹簧构成的系统不同，“自然机械”的弯折、卷曲和伸缩都是利用内部弹性来实现的。
对于设计强力而坚固的结构(例如桥梁和建筑)，人类已经积累了几千年的经验。多数情况下，我们会使用牢固坚硬的材料。在这种模式里，追求的是硬度，柔性则是要避免的。实际上，对于刚性结构来说，只有在设计抗震结构时，才会考虑形变的需求。
相反，柔性设计却需要形变。如果某个可弯曲点承受的压力过大，我们就把它做得更薄，而不是更厚。这是因为，柔性结构的特点就是利用弹性来实现机械或动力学功能。
微机电系统
在上世纪90年代初，我开始对小型机械——微机电系统(MEMS)产生了兴趣。那也是由于当时的大环境所致，因为通信公司对研发光纤网络中的微小光学开关很感兴趣。他们需使用非常小的电动机极其迅速地改变镜面角度，从而将光学信号导向特定方向。受到沃格尔的著作启发，而开始探索弹性设计后不久，我就开始同他的研究小组合作，在美国桑迪亚国家实验室微系统部门开展了一个研究项目。在那里，我们追求的目标是实现单形态设计。
桑迪亚实验室想要制造一种线性电动机，需要具有足够的位移输出(至少10微米)。然而，静电式电动机的装配方式，决定了其位移不会超过2微米。我知道自己不能简单地将齿轮变速器等机械微型化。因为即便能找到手足够稳的人，最终能将这些尺寸仅有1～2微米的齿轮、铰链和曲轴组装成机械，这对现代工程学来说也过于草率了。而在MEMS尺度上，那些间隙仅有十分之一微米的微机械就像“七巧板”一样，可以组装成许多不同的装置。此外，同集成电路类似，MEMS器件可以批量生产，数万个器件可以容纳在一个拇指指甲大小的区域内。在这种尺度上设计机械装置，与其说是创新，倒不如说是一种来自需求的牵引。有鉴于此，我设计了一种单形态运动放大器，同静电电动机集成在一起，可以产生20微米的位移输出。
弹性机翼
在我选择柔性设计研究的众多原因里，最吸引我的是形状调整(或称为“变形”)功能。这种可以随时对结构的几何形状进行调整的能力，让大自然创造的机械能以最高效率工作。莱特兄弟在他们最初的飞行器上，就已经探索过一种机翼变形技术——扭转翼。但是，在现代飞机上通过改变机翼的弯曲度来适应不同的飞行状态，仍是数十年来难以攻克的目标。
我偶然在报纸上看到一则广告，与上世纪80年代末在美国俄亥俄州莱特—帕特森空军基地进行的可弯曲机翼研究有关，研究人员把这种机翼称为“任务自适应机翼”(MAW)。为此，我联系了那里的研究人员。
据他们介绍，在先前的变形机翼的制造工作中，绝大多数都采用刚性结构，由许多大功率致动器驱动那些复杂、沉重的机械装置，使机翼结构弯折成不同的几何形状。有一次，工程师们采用弹性结构对一架F-111战斗机的机翼进行了改装。虽然这种自适应性机翼在空气动力学上展示出一些优势，但对于实际应用来说，这种结构还是过于沉重和复杂了。对此我并不感到意外。因为，要想设计出一种实用的可变形机翼，就得设法满足许多相互矛盾的需求。机翼既要很轻，又要足够牢固;既要易于制造和维修，又要具有足够的耐受性。
在我向莱特—帕特森空军基地提交的弹性机翼设计中，利用了部分试验性组件的弹性特性。这些组件完全由传统的铝以及复合材料制成。这种机翼具有特殊的内部结构，可以在其内置紧凑型电动机的作用下迅速产生形变，而且风洞测试表明，它在受外界强力作用的情况下，也能保持牢固的结构。2000年12月，我成立了一家名为弹性系统的公司，来研究柔性设计的实际应用。6年后，弹性机翼的研究取得了显著进展，并成功地完成了一系列风洞测试。根据计划，在NASA尼尔·A·阿姆斯特朗飞行研究中心进行的飞行试验将于今年7月进行。
会攀爬的机器
无外骨骼动物是地球上最具弹性的自然结构。受到这类动物的启发，我和我的研究生们一起进行了一系列研究。我们最近才了解到，包括环节动物和线虫类动物等某些生命形式，具有一些最令人不可思议的运动方式。而像章鱼这种人们已经很熟悉的范例，则是弹性工程学的最高奋斗目标。
蠕虫和章鱼这样的软体动物没有外部骨骼结构，不过这并不妨碍它们或迅猛或柔缓地运动。在大多数情况下，它们都是利用所谓“弹性流体”特性做到这一点的。用工程学术语来说，它们的身体具有“流体静力性”——即由一个充满液体的加压腔体，以及周围包裹着的结缔组织纤维和肌肉构成。
虽然，我们对弹性流体的研究依然处于初级阶段，但是我们已经设想到可以利用这些特性来制造“软体机器人”，以及其他能够安全地同人体和环境进行交互的设备。不过，弹性流体最早的应用极可能是矫形器。例如，对于因肌肉硬化症、关节畸形或硬化造成上肢挛缩的病人来说，可以使用柔性矫形器，逐渐将上肢校正到正常位置。
商用前景
得益于弹性系统公司工程师们的努力，我们耗时数年研发的一些设备目前已经接近商品化。我们的单形态挡风玻璃雨刷器已经完成了多种天气条件下的测试，生产模具也已制成。关于将其用作汽车后窗雨刷器的设想，目前也正在同汽车生产商和一级供应商进行恰谈。一旦投入市场，它将会比同类产品更加耐用和可靠，而且生产成本也会更低。
我们的可形变机翼现在也随时可以投入商业应用。如果仅仅将现有襟翼外缘的15%更换为可变形副襟翼，就可以节省5%的航空燃油。而如果将整个襟翼换成无缝的弹性箔片，则可以节约12%的燃油。尽管要获得美国联邦航空管理局的认证可能还需要数年时间，但我们相信，一旦得到航空业的信任，可变形机翼极有可能完全取代所有固定翼飞机上的传统铰接式襟翼。
此外，由于弹性设计能够大幅降低设备中的零件数量，它在汽车、家用电器、医药卫生和消费领域也有广阔的应用前景。不过，最大的挑战是，要让产业界的设计师们了解弹性设计。我们面临的另外一个重要问题是，目前还没有易用的弹性设计软件工具。不过，在美国国家科学基金的资助下，弹性系统公司正在开发这方面的软件。
虽然弹性设计的规模化在数年内还无法实现，但是我们认为广泛的应用必将实现。弹性设计给强度、精度、多用途和效率等方面带来的提升，将为不同行业的工程师提供一套全新的工具。很快，所有人都将开始感受到它的巨大力量。
