传统的机械要实现复杂的功能，就必须将多种刚性部件组合起来，这既不经济也不实用。不过经过几十年的研究，单部件柔性机械装置也许很快就会出现，现在看起来精密复杂的机械也许在不久的将来将会变成古董。

大自然中的“机械”

人们对于柔性机械其实并不陌生。弓应该算是其中最古老也最精巧的“机械”了——当弓箭手引弓射箭时，弹性能先是慢慢聚集，然后迅速释放，将箭头弹射出去。洗发水瓶盖也是一种单形态装置，它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。

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、大象的长鼻，它们都是既柔韧又牢固。其构造要么是逐级生长而来的，要么就是由牢固且可再生的接合面连接在一起。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。

在刚性结构中，如果某些地方承受的压力过大，就需要在该部位添加更多材料来分担承重或增加硬度。相反，如果柔性设计中的某个可弯曲点承受的压力过大，就需把它做得更薄而不是更厚，从而达到形变。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。

在洗发水瓶盖结构中，压力聚集在连接瓶盖和密封圈的那一块薄薄的区域。当压力集中在较薄的独立区域时，形变就被称为“集中柔度”。

相比之下，弓并没有这种局部的可弯区域，它表现出的是遍布整个弓体的“分布式柔性”。对于需要承受高度负荷的柔性机械来说，分布式柔性是必不可少的。当我刚刚进入这个研究领域时，我找不到任何关于分布式柔性机械设计的理论基础或通用方法。而当我慢慢将注意力和精力集中到这一点上，随即逐渐对它产生了兴趣。

微机电系统

在某些应用中，“零装配”的设计是非常必要的。上世纪90年代初，科塔开始对小型机械——微机电系统（MEMS）产生了兴趣。他和同事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，他们追求的研究目标是实现机械的单形态设计。

桑迪亚实验室想要制造一种需要具有至少10微米的位移输出的线性电动机，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。为此，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。到了1998年，我们的电动机和放大器已经能正常运行了。令人印象深刻的却是：具有如此复杂性和柔软度的运动放大器，整体竟然是由单片多晶硅制成的！

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。受这类动物启发，科塔表示，他和他的研究生一起进行了一系列研究。

蠕虫和章鱼这类软体动物没有外部骨骼结构，但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。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。当对这类生物进行解剖时，通常都会发现交叉螺旋排列的纤维和肌肉包裹着腔体中的内部器官。这种呈交叉螺旋排列的纤维不仅能对肌肉收缩起到拮抗作用，还能将力均匀地分布在整个身体上。

虽然我们对弹性流体的研究处于初级阶段，但是我们已经有了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的设想。不过未来弹性流体最早的应用极可能是矫形器，例如因肌肉硬化症、关节畸形或硬化造成上肢挛缩的病人可以使用柔性矫形器将可以逐渐将上肢校正到正常位置。

商用前景

科塔及其团队从1992年开始进行基础性研究工作，其中一些研发设备目前已接近商品化。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。我们的可形变机翼现在也随时可以投入商业应用。我们相信一旦得到航空业的信任，可变形机翼极有可能将完全取代所有固定翼飞机上的传统铰接式襟翼。

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。虽然弹性设计的规模化在数年内还无法实现，但是我们认为未来必将实现广泛的应用。弹性设计在强度、精度、多用途和效率等方面所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，所有人都将会开始感受到它的巨大力量。

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