彈性設計給強度、精度、多用途和效率等方面帶來的提升，將為不同行業的工程師提供一套全新的工具.人工設計的機械要實現可變性，往往需要用剛性部件組裝成復雜、但效率低下的系統，而且可變性和強度通常只能二中選一。柔性或彈性設計，是利用可變性的工程學方法，將負載分布在由盡可能少的部件構成的可變形設備上。利用這種方法，可以設計制造一系列新型機械(例如可變形機翼和蛇形機器人)，并能開辟一條全新的途徑，提升各種設備的耐久性和效率。
大自然中的“機械”
對于柔性機械，我們其實并不陌生。弓應該算是其中最古老，也最精巧的例子了。這種強力而又柔韌的結構能夠可靠地反復工作，并保持穩定的精確度。另一個例子是洗發水瓶蓋：這是一種單形態裝置，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成，其中沒有一個機械鉸鏈。還有一個例子：在醫院里廣泛使用的一次性醫用鑷子。
不過，最成功的彈性設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、滑塊和彈簧構成的系統不同，“自然機械”的彎折、卷曲和伸縮都是利用內部彈性來實現的。
對于設計強力而堅固的結構(例如橋梁和建筑)，人類已經積累了幾千年的經驗。多數情況下，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，對于剛性結構來說，只有在設計抗震結構時，才會考慮形變的需求。
相反，柔性設計卻需要形變。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，柔性結構的特點就是利用彈性來實現機械或動力學功能。
微機電系統
在上世紀90年代初，我開始對小型機械——微機電系統(MEMS)產生了興趣。那也是由于當時的大環境所致，因為通信公司對研發光纖網絡中的微小光學開關很感興趣。他們需使用非常小的電動機極其迅速地改變鏡面角度，從而將光學信號導向特定方向。受到沃格爾的著作啟發，而開始探索彈性設計后不久，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部門開展了一個研究項目。在那里，我們追求的目標是實現單形態設計。
桑迪亞實驗室想要制造一種線性電動機，需要具有足夠的位移輸出(至少10微米)。然而，靜電式電動機的裝配方式，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械微型化。因為即便能找到手足夠穩的人，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械，這對現代工程學來說也過于草率了。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，數萬個器件可以容納在一個拇指指甲大小的區域內。在這種尺度上設計機械裝置，與其說是創新，倒不如說是一種來自需求的牽引。有鑒于此，我設計了一種單形態運動放大器，同靜電電動機集成在一起，可以產生20微米的位移輸出。
彈性機翼
在我選擇柔性設計研究的眾多原因里，最吸引我的是形狀調整(或稱為“變形”)功能。這種可以隨時對結構的幾何形狀進行調整的能力，讓大自然創造的機械能以最高效率工作。萊特兄弟在他們最初的飛行器上，就已經探索過一種機翼變形技術——扭轉翼。但是，在現代飛機上通過改變機翼的彎曲度來適應不同的飛行狀態，仍是數十年來難以攻克的目標。
我偶然在報紙上看到一則廣告，與上世紀80年代末在美國俄亥俄州萊特—帕特森空軍基地進行的可彎曲機翼研究有關，研究人員把這種機翼稱為“任務自適應機翼”(MAW)。為此，我聯系了那里的研究人員。
據他們介紹，在先前的變形機翼的制造工作中，絕大多數都采用剛性結構，由許多大功率致動器驅動那些復雜、沉重的機械裝置，使機翼結構彎折成不同的幾何形狀。有一次，工程師們采用彈性結構對一架F-111戰斗機的機翼進行了改裝。雖然這種自適應性機翼在空氣動力學上展示出一些優勢，但對于實際應用來說，這種結構還是過于沉重和復雜了。對此我并不感到意外。因為，要想設計出一種實用的可變形機翼，就得設法滿足許多相互矛盾的需求。機翼既要很輕，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翼設計中，利用了部分試驗性組件的彈性特性。這些組件完全由傳統的鋁以及復合材料制成。這種機翼具有特殊的內部結構，可以在其內置緊湊型電動機的作用下迅速產生形變，而且風洞測試表明，它在受外界強力作用的情況下，也能保持牢固的結構。2000年12月，我成立了一家名為彈性系統的公司，來研究柔性設計的實際應用。6年后，彈性機翼的研究取得了顯著進展，并成功地完成了一系列風洞測試。根據計劃，在NASA尼爾·A·阿姆斯特朗飛行研究中心進行的飛行試驗將于今年7月進行。
會攀爬的機器
無外骨骼動物是地球上最具彈性的自然結構。受到這類動物的啟發，我和我的研究生們一起進行了一系列研究。我們最近才了解到，包括環節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動方式。而像章魚這種人們已經很熟悉的范例，則是彈性工程學的最高奮斗目標。
蠕蟲和章魚這樣的軟體動物沒有外部骨骼結構，不過這并不妨礙它們或迅猛或柔緩地運動。在大多數情況下，它們都是利用所謂“彈性流體”特性做到這一點的。用工程學術語來說，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締組織纖維和肌肉構成。
雖然，我們對彈性流體的研究依然處于初級階段，但是我們已經設想到可以利用這些特性來制造“軟體機器人”，以及其他能夠安全地同人體和環境進行交互的設備。不過，彈性流體最早的應用極可能是矯形器。例如，對于因肌肉硬化癥、關節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
得益于彈性系統公司工程師們的努力，我們耗時數年研發的一些設備目前已經接近商品化。我們的單形態擋風玻璃雨刷器已經完成了多種天氣條件下的測試，生產模具也已制成。關于將其用作汽車后窗雨刷器的設想，目前也正在同汽車生產商和一級供應商進行恰談。一旦投入市場，它將會比同類產品更加耐用和可靠，而且生產成本也會更低。
我們的可形變機翼現在也隨時可以投入商業應用。如果僅僅將現有襟翼外緣的15%更換為可變形副襟翼，就可以節省5%的航空燃油。而如果將整個襟翼換成無縫的彈性箔片，則可以節約12%的燃油。盡管要獲得美國聯邦航空管理局的認證可能還需要數年時間，但我們相信，一旦得到航空業的信任，可變形機翼極有可能完全取代所有固定翼飛機上的傳統鉸接式襟翼。
此外，由于彈性設計能夠大幅降低設備中的零件數量，它在汽車、家用電器、醫藥衛生和消費領域也有廣闊的應用前景。不過，最大的挑戰是，要讓產業界的設計師們了解彈性設計。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計軟件工具。不過，在美國國家科學基金的資助下，彈性系統公司正在開發這方面的軟件。
雖然彈性設計的規模化在數年內還無法實現，但是我們認為廣泛的應用必將實現。彈性設計給強度、精度、多用途和效率等方面帶來的提升，將為不同行業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。