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傳統(tǒng)的機(jī)械要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，就必須將多種剛性部件組合起來，這既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用。不過經(jīng)過幾十年的研究，單部件柔性機(jī)械裝置也許很快就會(huì)出現(xiàn)，現(xiàn)在看起來精密復(fù)雜的機(jī)械也許在不久的將來將會(huì)變成古董。

大自然中的“機(jī)械”

人們對(duì)于柔性機(jī)械其實(shí)并不陌生。弓應(yīng)該算是其中最古老也最精巧的“機(jī)械”了——當(dāng)弓箭手引弓射箭時(shí)，彈性能先是慢慢聚集，然后迅速釋放，將箭頭彈射出去。洗發(fā)水瓶蓋也是一種單形態(tài)裝置，它由一個(gè)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(gè)機(jī)械鉸鏈。

不過最成功的彈性設(shè)計(jì)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、大象的長鼻，它們都是既柔韌又牢固。其構(gòu)造要么是逐級(jí)生長而來的，要么就是由牢固且可再生的接合面連接在一起。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(shí)現(xiàn)的。

在剛性結(jié)構(gòu)中，如果某些地方承受的壓力過大，就需要在該部位添加更多材料來分擔(dān)承重或增加硬度。相反，如果柔性設(shè)計(jì)中的某個(gè)可彎曲點(diǎn)承受的壓力過大，就需把它做得更薄而不是更厚，從而達(dá)到形變。這是因?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是利用彈性來實(shí)現(xiàn)機(jī)械或動(dòng)力學(xué)功能。

在洗發(fā)水瓶蓋結(jié)構(gòu)中，壓力聚集在連接瓶蓋和密封圈的那一塊薄薄的區(qū)域。當(dāng)壓力集中在較薄的獨(dú)立區(qū)域時(shí)，形變就被稱為“集中柔度”。

相比之下，弓并沒有這種局部的可彎區(qū)域，它表現(xiàn)出的是遍布整個(gè)弓體的“分布式柔性”。對(duì)于需要承受高度負(fù)荷的柔性機(jī)械來說，分布式柔性是必不可少的。當(dāng)我剛剛進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域時(shí)，我找不到任何關(guān)于分布式柔性機(jī)械設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)或通用方法。而當(dāng)我慢慢將注意力和精力集中到這一點(diǎn)上，隨即逐漸對(duì)它產(chǎn)生了興趣。

微機(jī)電系統(tǒng)

在某些應(yīng)用中，“零裝配”的設(shè)計(jì)是非常必要的。上世紀(jì)90年代初，科塔開始對(duì)小型機(jī)械——微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）產(chǎn)生了興趣。他和同事在美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室微系統(tǒng)部門開展了一個(gè)研究項(xiàng)目。在那里，他們追求的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械的單形態(tài)設(shè)計(jì)。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室想要制造一種需要具有至少10微米的位移輸出的線性電動(dòng)機(jī)，然而靜電式電動(dòng)機(jī)的裝配方式，決定了其位移不會(huì)超過2微米。為此，我設(shè)計(jì)了一種單形態(tài)運(yùn)動(dòng)放大器，同靜電電動(dòng)機(jī)集成在一起，可以產(chǎn)生20微米的位移輸出。到了1998年，我們的電動(dòng)機(jī)和放大器已經(jīng)能正常運(yùn)行了。令人印象深刻的卻是：具有如此復(fù)雜性和柔軟度的運(yùn)動(dòng)放大器，整體竟然是由單片多晶硅制成的！

會(huì)攀爬的機(jī)器

無外骨骼動(dòng)物是地球上最具彈性的自然結(jié)構(gòu)。受這類動(dòng)物啟發(fā)，科塔表示，他和他的研究生一起進(jìn)行了一系列研究。

蠕蟲和章魚這類軟體動(dòng)物沒有外部骨骼結(jié)構(gòu)，但并不妨礙它們或迅猛或柔緩地運(yùn)動(dòng)。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(diǎn)的。它們的身體具有“流體靜力性”——即由一個(gè)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。當(dāng)對(duì)這類生物進(jìn)行解剖時(shí)，通常都會(huì)發(fā)現(xiàn)交叉螺旋排列的纖維和肌肉包裹著腔體中的內(nèi)部器官。這種呈交叉螺旋排列的纖維不僅能對(duì)肌肉收縮起到拮抗作用，還能將力均勻地分布在整個(gè)身體上。

雖然我們對(duì)彈性流體的研究處于初級(jí)階段，但是我們已經(jīng)有了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)備的設(shè)想。不過未來彈性流體最早的應(yīng)用極可能是矯形器，例如因肌肉硬化癥、關(guān)節(jié)畸形或硬化造成上肢攣縮的病人可以使用柔性矯形器將可以逐漸將上肢校正到正常位置。

商用前景

科塔及其團(tuán)隊(duì)從1992年開始進(jìn)行基礎(chǔ)性研究工作，其中一些研發(fā)設(shè)備目前已接近商品化。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。我們的可形變機(jī)翼現(xiàn)在也隨時(shí)可以投入商業(yè)應(yīng)用。我們相信一旦得到航空業(yè)的信任，可變形機(jī)翼極有可能將完全取代所有固定翼飛機(jī)上的傳統(tǒng)鉸接式襟翼。

由于彈性設(shè)計(jì)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。雖然彈性設(shè)計(jì)的規(guī)模化在數(shù)年內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)，但是我們認(rèn)為未來必將實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。彈性設(shè)計(jì)在強(qiáng)度、精度、多用途和效率等方面所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，所有人都將會(huì)開始感受到它的巨大力量。

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