1995年，在一个雨天，我开车行驶在密歇根州安娜堡附近，我的目光被雨刷器吸引住了。当时我是密歇根大学机械工程系的副教授。在之前的几年里，我做了几项关于工业界所谓的“面向装配的设计”的研究。这种研究的目标是减少任何给定机器中的零件数量，从而降低制造成本和装配成本。在这项工作的过程中，我开始思考，如果你将面向装配的设计推向逻辑上的极致会发生什么。我们能否设计出无需装配的产品？
当我坐在方向盘后时，我突然意识到我的雨刷器是对工程努力的一种荒谬的浪费。雨刷臂架，它固定着一次性刮片，必须具有高度的柔性。当刮片在可变轮廓表面上来回移动时，它必须保持刮片紧压在玻璃上。而且，它必须能够在多种汽车型号上做到这一点，每种型号都有自己的挡风玻璃几何形状。我们对这种柔性需求的响应是什么？一个由刚性杆、连杆和枢轴组成的复杂系统。
当时我对另一种新兴的兴趣——弹性或柔顺设计也很感兴趣，它涉及用尽可能少的部件构建柔性、坚固的机器。我的同事和我已经成功地用单件材料制造了机器。例如，1993年，我的研究生G. K. Ananthasuresh、Laxman Saggere和我制造了一个无需组装的柔顺订书机。但是雨刷器给我的印象是一个完美的测试案例。一体式或单体制雨刷器几乎可以消除装配。如果成功，这样的项目将不仅仅是一次工程极简主义的练习。制造雨刷器的大部分成本都用于装配。装配密集型产品的生产很久以前就转移到低工资国家，这应该不足为奇。
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我的同事和我没有立即着手设计一体式雨刷器。在过去的二十年里，我的大部分研究都集中在弹性设计的一般原理上——开发工程师设计和制造柔顺设备所需的理论工具。但我们最终还是设计出了那个雨刷器。事实上，我们已经使用弹性设计制造了微型单体制运动放大器、柔性飞机机翼、蛇形机器人和其他机器，每一种都是一个新工程范式的表达，这个范式的时代已经到来。
活体机器
我们比我们想象的更熟悉柔顺机器。也许最早也是最优雅的例子是弓箭手的弓。当弓箭手拉弓时，弹性势能被缓慢地储存起来，然后迅速释放以推动箭矢。这种坚固而灵活的机制可以多次精确使用且不会失效。更新的例子是洗发水瓶盖：它是一种单体制装置，结合了易于打开的盖子和旋入式密封环，没有机械铰链。这里是另一个例子：医院广泛使用的一次性医用镊子，它足够精确，可以用于手术室，但价格足够便宜，可以在每次使用后丢弃。
最成功的弹性设计存在于自然界中。1995年，当我开始阅读杜克大学著名生物学家Steven Vogel的作品时，我开始意识到这一点。在《生命的装置》和《猫爪和弹射器》等著作中，Vogel出色地解释了自然界的设计原理，并将它们与工程设备进行了类比。树枝、鸟翼、蟹腿和象鼻都是柔韧而坚固的。它们的组件要么相互生长出来，要么通过坚固的、自我再生的界面粘合在一起。与齿轮、滑块和弹簧系统不同，它们通过利用其固有的弹性来弯曲、变形和弯曲。
人类积累了数千年的设计坚固和刚性结构（如桥梁和建筑物）的经验。在大多数情况下，我们通过使用坚固而硬挺的材料来实现这一点。如果应力过高，我们只需添加更多材料来分担载荷或增加其刚度。在这种范式中，刚度是好的；柔性是坏的。事实上，对于刚性结构，挠度——变形或在应力下屈服的趋势——只有在您设计抗震性能时才是可取的。
相比之下，柔顺设计拥抱挠度。如果柔性点的应力过高，我们会使其变薄而不是变厚，因为柔顺结构的功能是利用弹性作为机械或运动学功能。
在洗发水瓶盖的情况下，应力集中在连接盖子和底座的薄聚合物部分。一次性镊子具有大致相同的设计。当应力集中在一个薄而离散的区域时，这种挠曲被称为集中柔顺性。研究人员自20世纪50年代以来一直在研究集中柔顺性。最近，密苏里科技大学的Ashok Midha、杨百翰大学的Larry Howell、密歇根大学的Shorya Awtar和麻省理工学院的Martin L. Culpepper都在该主题上进行了出色的研究，展示了集中柔顺性在精密仪器和纳米定位设备中的应用。
相比之下，弓箭手的弓没有这种局部弯曲区域：它在其整个长度上都表现出“分布式柔顺性”。分布式柔顺性对于构建必须完成繁重工作的柔性机器至关重要——例如，必须将飞机保持在空中的机翼，或者必须运行数百万次循环的电机。当我开始在这个领域工作时，我找不到用于设计具有分布式柔顺性的机器的理论基础或通用方法。自然，这就是我努力的重点，也是我仍然感兴趣的地方。
从小处着手
我开始研究柔性一体式机器，不是因为它们看起来像是有趣的新奇事物，而是因为在某些应用中，为无需装配而设计是必要的。我的职业生涯始于研究大型机械系统，如汽车变速器。然而，在20世纪90年代初，我发现自己在设计真正微小的机器——微机电系统（MEMS）。这很大程度上是那个时代的境况。电信公司开始为光纤网络开发光开关；他们将使用微型电机非常快速地改变反射镜的角度，以便在一个方向或另一个方向上路由光信号。在我开始阅读Vogel并探索弹性设计后不久，我与桑迪亚国家实验室微系统部门的Steven Rodgers及其团队合作开展了一个项目，单体制设计似乎非常适合。
桑迪亚需要制造一种线性电机，其输出位移足以做功——至少10微米。然而，静电电机的制造约束将其运动限制在两微米。我知道我不能简单地将齿轮传动等微型化。即使我们能找到手足够稳的人来组装尺寸在1到2微米范围内的齿轮、铰链和轴，由此产生的机器对于现代工程来说也太马虎了。在MEMS尺度下，间隙为十分之一微米的机器与玩具没什么区别。此外，MEMS器件的批量制造方式与集成电路非常相似，数以万计的器件在一个缩略图大小的区域内制造出来。鉴于所有这些，我设计了一种单体制运动放大器，当与静电电机集成时，它可以产生20微米的输出运动。
到1998年，我们已经让电机和放大器嗡嗡作响地运转起来了。我清楚地记得站在实验室里，惊叹于这个微小的设备。它已经运行了超过100亿次循环，而且看不到尽头。但在我看来，最令人印象深刻的是，整个运动放大器及其所有的复杂性和灵活性都由一块多晶硅组成。
柔性飞行器
在我选择研究柔顺设计的所有原因中，我发现最引人注目的是形状适应或“变形”。实时改变结构几何形状的能力使自然界的机器能够以最高的效率运行。将这种适应性与工程世界的固定几何形状——汽车传动系统、飞机机翼、发动机、压缩机、风扇等等进行比较。这些以及几乎所有其他传统设计的机器在非常特定的条件下效率最高。它们在其余时间以次优状态运行。例如，飞机在从A点到B点的过程中会经历各种飞行条件——改变高度、速度，甚至随着燃料的消耗而改变重量——这意味着它几乎总是以低于其可能达到的效率运行。另一方面，鸟类可以通过毫不费力地按需调整翅膀的配置或形状来起飞、着陆、悬停和俯冲。
早在20世纪90年代中期，我就想知道是否有人曾尝试在飞行过程中改变机翼的形状（弯度）以提高性能。我惊讶地发现，莱特兄弟在他们的原始飞行器中开创了一种不同类型的机翼变形——机翼扭转。后来我了解到，改变机翼的弯度以满足现代飞机上的不同飞行条件，几十年来一直是一个难以实现的目标。所以有一天晚上，我坐在餐桌旁，开始着手设计。
经过几个月的研究，我在一份报纸上看到一小段关于20世纪80年代后期在俄亥俄州赖特-帕特森空军基地进行的柔性翼研究的简短介绍。那里的工程师称他们的目标是任务自适应翼（MAW）。我对他们工作的成果一无所知，但我知道变形翼并不是一个疯狂的想法，所以我联系了研究人员，询问他们是否有兴趣审查我的设计。他们的反应是压倒性的。
他们解释说，过去大多数（如果不是全部）创建变形翼的尝试都采用了刚性结构——复杂的、沉重的机构，带有数十个强大的执行器，使机翼结构弯曲成不同的几何形状。例如，有一次，工程师用柔性面板改装了一架F-111战斗机的机翼。他们的自适应机翼显示出空气动力学前景，但该结构被认为太重和复杂，无法实际应用。
这并没有让我感到惊讶。设计实用的可变几何形状机翼将涉及满足许多相互冲突的要求。机翼必须轻巧、足够坚固以承受数千公斤的空气载荷、足够可靠以运行数十万小时、易于制造和维护，并且足够耐用以承受化学暴露、紫外线辐射和显着的温度变化。当时使用的概念和软件工具从未打算设计单体制机器，更不用说满足如此多相互竞争的需求的机器了。
我提交给赖特-帕特森的柔性翼设计利用了测试组件的弹性，这些组件是完全传统的航空航天级材料。机翼具有内部结构，该结构被设计为当紧凑型内部电机施加力时易于变形，并且在风洞测试中外部施加强大力时仍然保持刚性。赖特-帕特森的高级工程师对该设计感到兴奋，我也是如此。事实上，我非常热情，以至于在2000年12月，我创立了一家名为FlexSys的公司，以开发柔顺设计的实际应用。
六年之后，经过大量的开发和几次成功的风洞测试，我们设法将柔性翼的原型固定在比例复合材料公司白色骑士飞机的下侧，以便在莫哈韦沙漠进行飞行测试。机翼安装在喷气式飞机的机身下方，并进行了全面的仪表化，以测量升力和阻力。其升力系数从0.1到1.1不等，而没有增加阻力；这相当于在旨在充分利用新型柔性襟翼的机翼中，燃油效率提高了高达12%。 （改装到现有机翼上的柔性襟翼将提高4%或更多。）考虑到美国航空公司每年消耗约160亿加仑的航空燃料，这些看似很小的百分比可能意义重大。该机翼也更简单，变形机构中没有移动部件。因此，它将更可靠，并具有更好的重量功率比。
形状自适应飞机机翼的真正考验将是柔性控制面完全取代传统襟翼的时候。我们正在完成这样一个项目。FlexSys与美国空军研究实验室合作，设计和制造了一个连续表面，该表面弯曲（弯度）并在展向上扭曲，以最大限度地提高空气动力学性能，取代产生阻力的后缘襟翼。我们已经用我们的FlexFoil可变几何形状控制面取代了传统的襟翼，改装了一架湾流宇航GIII公务机。除了显着的燃油节省外，我们的设计预计还将降低飞机噪音：根据美国国家航空航天局的说法，飞机着陆时产生的大部分噪音是由部署的后缘襟翼与机翼固定部分之间的尖锐边缘和间隙产生的涡流引起的。我们已经包括了过渡表面以消除这些间隙。美国国家航空航天局尼尔·A·阿姆斯特朗飞行研究中心的飞行测试计划于7月进行。
爬行者
在过去的几年里，我的研究生Joshua Bishop-Moser、Girish Krishnan和我已经开始进行弹性设计研究，其灵感来自地球上最灵活的自然机器——没有明显骨骼的动物。这些生命形式中最不真实的，如环节动物和线虫，以我们刚刚开始理解的方式开展业务。更熟悉的例子，如章鱼，为弹性工程师提供了一个努力的目标。
蠕虫和章鱼等软体动物缺乏任何明显的骨骼结构，但它们可以充满活力和优雅地移动。在大多数情况下，它们通过所谓的弹性流体学来实现这一点。用工程术语来说，它们的身体是静水骨骼——它们由结缔组织纤维和肌肉排列组成，这些纤维和肌肉围绕着一个加压的、充满液体的腔体。对这些生物的解剖学研究通常揭示纤维和肌肉的交叉螺旋排列，这些纤维和肌肉围绕着占据充满液体的核心的内部器官。交叉螺旋纤维充当抵抗肌肉收缩产生的流体压力的拮抗剂；纤维的取向决定了运动范围。
在动物界中存在许多静水骨骼的变体。章鱼的触手是肌肉静水骨骼。象鼻采用紧密堆积的肌肉纤维围绕静水骨骼体。鳗鱼的纤维增强皮肤就像外部肌腱一样，使动物能够产生强大的推进力来游泳。
我们对弹性流体学的研究仍处于起步阶段，但我们的假设是，这些元素可以用作构建“软机器人”和其他可以安全地与人类和环境互动的设备的组件。然而，最早的应用很可能在矫形器领域。例如，患有因肌肉硬化、关节畸形或关节僵硬引起的肢体挛缩的患者可以使用柔性矫形器，轻轻地将他们的手臂恢复到日常活动的功能位置。
柔顺性受到重视
在密歇根大学柔顺系统设计实验室的许多才华横溢的研究生的帮助下，我们于1992年开始的基础研究已经产生了大量有用的见解和系统的设计方法。那些研究生，人数众多，在此不一一列举，现在正在宾夕法尼亚州立大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、伊利诺伊大学芝加哥分校、巴克内尔大学、美国国家航空航天局喷气推进实验室、桑迪亚国家实验室、空军研究实验室、科天公司、福特汽车公司、FlexSys公司、雷神公司和英特尔公司从事他们自己的弹性设计工作。感谢FlexSys公司才华横溢的工程师，我们多年来开发的一些设备即将实现商业化。我们已经完成了单体制雨刷臂架的耐候性测试并完成了生产模具，并且正在与汽车制造商和供应商讨论将其作为后雨刷器实施。单体制雨刷器由玻璃填充的热塑性聚合物制成，在寒冷和炎热条件下均能正常工作。即使在破除冰雪时，它也不会断裂或扭曲。当它上市时，它应该比任何竞争设备都更耐用、更可靠且制造成本更低。
我们的柔性飞机机翼在技术上已准备好立即商业化实施。仅将现有襟翼的外侧15%替换为用于巡航配平的可变几何形状子襟翼就可以节省5%的航空燃料。用无缝FlexFoil替换整个襟翼可以在新设计上节省约12%的燃料。我们可能还需要几年时间才能获得美国联邦航空管理局的认证，但是一旦行业对柔性翼充满信心，我们相信它们很可能会在未来所有类型的固定翼飞机中完全取代铰接襟翼。
在汽车、家电、医疗和消费领域，弹性设计的应用案例比比皆是，它可以大大减少任何给定设备中使用的零件数量。最大的挑战是向工业设计师宣传。我们柔顺雨刷器等新型产品的广泛使用应该有助于为弹性设计辩护。即便如此，挑战仍然存在：目前还没有易于使用的软件工具可用于探索弹性设计。在国家科学基金会的合同下，FlexSys正在开发这方面的软件。
弹性设计还需要几年时间才能达到任何形式的临界质量，但我们认为它的广泛采用是不可避免的。弹性提供的强度、精度、多功能性和效率将为许多领域的工程师提供一套全新的工具，很快我们都将开始体会到柔性的力量。