1995年，在一個雨天，我開車行駛在密歇根州安娜堡附近，我的目光被雨刷器吸引住了。當時我是密歇根大學機械工程系的副教授。在之前的幾年裡，我做了幾項關於工業界所謂的“面向裝配的設計”的研究。這種研究的目標是減少任何給定機器中的零件數量，從而降低製造成本和裝配成本。在這項工作的過程中，我開始思考，如果你將面向裝配的設計推向邏輯上的極致會發生什麼。我們能否設計出無需裝配的產品？
當我坐在方向盤後時，我突然意識到我的雨刷器是對工程努力的一種荒謬的浪費。雨刷臂架，它固定著一次性刮片，必須具有高度的柔性。當刮片在可變輪廓表面上來回移動時，它必須保持刮片緊壓在玻璃上。而且，它必須能夠在多種汽車型號上做到這一點，每種型號都有自己的擋風玻璃幾何形狀。我們對這種柔性需求的響應是什麼？一個由剛性杆、連桿和樞軸組成的複雜系統。
當時我對另一種新興的興趣——彈性或柔順設計也很感興趣，它涉及用盡可能少的部件構建柔性、堅固的機器。我的同事和我已經成功地用單件材料製造了機器。例如，1993年，我的研究生G. K. Ananthasuresh、Laxman Saggere和我製造了一個無需組裝的柔順訂書機。但是雨刷器給我的印象是一個完美的測試案例。一體式或單體制雨刷器幾乎可以消除裝配。如果成功，這樣的專案將不僅僅是一次工程極簡主義的練習。製造雨刷器的大部分成本都用於裝配。裝配密集型產品的生產很久以前就轉移到低工資國家，這應該不足為奇。
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我的同事和我沒有立即著手設計一體式雨刷器。在過去的二十年裡，我的大部分研究都集中在彈性設計的一般原理上——開發工程師設計和製造柔順裝置所需的理論工具。但我們最終還是設計出了那個雨刷器。事實上，我們已經使用彈性設計製造了微型單體制運動放大器、柔性飛機機翼、蛇形機器人和其他機器，每一種都是一個新工程正規化的表達，這個正規化的時代已經到來。
活體機器
我們比我們想象的更熟悉柔順機器。也許最早也是最優雅的例子是弓箭手的弓。當弓箭手拉弓時，彈性勢能被緩慢地儲存起來，然後迅速釋放以推動箭矢。這種堅固而靈活的機制可以多次精確使用且不會失效。更新的例子是洗髮水瓶蓋：它是一種單體制裝置，結合了易於開啟的蓋子和旋入式密封環，沒有機械鉸鏈。這裡是另一個例子：醫院廣泛使用的一次性醫用鑷子，它足夠精確，可以用於手術室，但價格足夠便宜，可以在每次使用後丟棄。
最成功的彈性設計存在於自然界中。1995年，當我開始閱讀杜克大學著名生物學家Steven Vogel的作品時，我開始意識到這一點。在《生命的裝置》和《貓爪和彈射器》等著作中，Vogel出色地解釋了自然界的設計原理，並將它們與工程裝置進行了類比。樹枝、鳥翼、蟹腿和象鼻都是柔韌而堅固的。它們的元件要麼相互生長出來，要麼透過堅固的、自我再生的介面粘合在一起。與齒輪、滑塊和彈簧系統不同，它們透過利用其固有的彈性來彎曲、變形和彎曲。
人類積累了數千年的設計堅固和剛性結構（如橋樑和建築物）的經驗。在大多數情況下，我們透過使用堅固而硬挺的材料來實現這一點。如果應力過高，我們只需新增更多材料來分擔載荷或增加其剛度。在這種正規化中，剛度是好的；柔性是壞的。事實上，對於剛性結構，撓度——變形或在應力下屈服的趨勢——只有在您設計抗震效能時才是可取的。
相比之下，柔順設計擁抱撓度。如果柔性點的應力過高，我們會使其變薄而不是變厚，因為柔順結構的功能是利用彈性作為機械或運動學功能。
在洗髮水瓶蓋的情況下，應力集中在連線蓋子和底座的薄聚合物部分。一次性鑷子具有大致相同的設計。當應力集中在一個薄而離散的區域時，這種撓曲被稱為集中柔順性。研究人員自20世紀50年代以來一直在研究集中柔順性。最近，密蘇里科技大學的Ashok Midha、楊百翰大學的Larry Howell、密歇根大學的Shorya Awtar和麻省理工學院的Martin L. Culpepper都在該主題上進行了出色的研究，展示了集中柔順性在精密儀器和奈米定位裝置中的應用。
相比之下，弓箭手的弓沒有這種區域性彎曲區域：它在其整個長度上都表現出“分散式柔順性”。分散式柔順性對於構建必須完成繁重工作的柔性機器至關重要——例如，必須將飛機保持在空中的機翼，或者必須執行數百萬次迴圈的電機。當我開始在這個領域工作時，我找不到用於設計具有分散式柔順性的機器的理論基礎或通用方法。自然，這就是我努力的重點，也是我仍然感興趣的地方。
從小處著手
我開始研究柔性一體式機器，不是因為它們看起來像是有趣的新奇事物，而是因為在某些應用中，為無需裝配而設計是必要的。我的職業生涯始於研究大型機械系統，如汽車變速器。然而，在20世紀90年代初，我發現自己在設計真正微小的機器——微機電系統（MEMS）。這很大程度上是那個時代的境況。電信公司開始為光纖網路開發光開關；他們將使用微型電機非常快速地改變反射鏡的角度，以便在一個方向或另一個方向上路由光訊號。在我開始閱讀Vogel並探索彈性設計後不久，我與桑迪亞國家實驗室微系統部門的Steven Rodgers及其團隊合作開展了一個專案，單體制設計似乎非常適合。
桑迪亞需要製造一種線性電機，其輸出位移足以做功——至少10微米。然而，靜電電機的製造約束將其運動限制在兩微米。我知道我不能簡單地將齒輪傳動等微型化。即使我們能找到手足夠穩的人來組裝尺寸在1到2微米範圍內的齒輪、鉸鏈和軸，由此產生的機器對於現代工程來說也太馬虎了。在MEMS尺度下，間隙為十分之一微米的機器與玩具沒什麼區別。此外，MEMS器件的批次製造方式與積體電路非常相似，數以萬計的器件在一個縮圖大小的區域內製造出來。鑑於所有這些，我設計了一種單體制運動放大器，當與靜電電機整合時，它可以產生20微米的輸出運動。
到1998年，我們已經讓電機和放大器嗡嗡作響地運轉起來了。我清楚地記得站在實驗室裡，驚歎於這個微小的裝置。它已經運行了超過100億次迴圈，而且看不到盡頭。但在我看來，最令人印象深刻的是，整個運動放大器及其所有的複雜性和靈活性都由一塊多晶矽組成。
柔性飛行器
在我選擇研究柔順設計的所有原因中，我發現最引人注目的是形狀適應或“變形”。即時改變結構幾何形狀的能力使自然界的機器能夠以最高的效率執行。將這種適應性與工程世界的固定幾何形狀——汽車傳動系統、飛機機翼、發動機、壓縮機、風扇等等進行比較。這些以及幾乎所有其他傳統設計的機器在非常特定的條件下效率最高。它們在其餘時間以次優狀態執行。例如，飛機在從A點到B點的過程中會經歷各種飛行條件——改變高度、速度，甚至隨著燃料的消耗而改變重量——這意味著它幾乎總是以低於其可能達到的效率執行。另一方面，鳥類可以透過毫不費力地按需調整翅膀的配置或形狀來起飛、著陸、懸停和俯衝。
早在20世紀90年代中期，我就想知道是否有人曾嘗試在飛行過程中改變機翼的形狀（彎度）以提高效能。我驚訝地發現，萊特兄弟在他們的原始飛行器中開創了一種不同型別的機翼變形——機翼扭轉。後來我瞭解到，改變機翼的彎度以滿足現代飛機上的不同飛行條件，幾十年來一直是一個難以實現的目標。所以有一天晚上，我坐在餐桌旁，開始著手設計。
經過幾個月的研究，我在一份報紙上看到一小段關於20世紀80年代後期在俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地進行的柔性翼研究的簡短介紹。那裡的工程師稱他們的目標是任務自適應翼（MAW）。我對他們工作的成果一無所知，但我知道變形翼並不是一個瘋狂的想法，所以我聯絡了研究人員，詢問他們是否有興趣審查我的設計。他們的反應是壓倒性的。
他們解釋說，過去大多數（如果不是全部）建立變形翼的嘗試都採用了剛性結構——複雜的、沉重的機構，帶有數十個強大的執行器，使機翼結構彎曲成不同的幾何形狀。例如，有一次，工程師用柔性面板改裝了一架F-111戰鬥機的機翼。他們的自適應機翼顯示出空氣動力學前景，但該結構被認為太重和複雜，無法實際應用。
這並沒有讓我感到驚訝。設計實用的可變幾何形狀機翼將涉及滿足許多相互衝突的要求。機翼必須輕巧、足夠堅固以承受數千公斤的空氣載荷、足夠可靠以執行數十萬小時、易於製造和維護，並且足夠耐用以承受化學暴露、紫外線輻射和顯著的溫度變化。當時使用的概念和軟體工具從未打算設計單體制機器，更不用說滿足如此多相互競爭的需求的機器了。
我提交給賴特-帕特森的柔性翼設計利用了測試元件的彈性，這些元件是完全傳統的航空航天級材料。機翼具有內部結構，該結構被設計為當緊湊型內部電機施加力時易於變形，並且在風洞測試中外部施加強大力時仍然保持剛性。賴特-帕特森的高階工程師對該設計感到興奮，我也是如此。事實上，我非常熱情，以至於在2000年12月，我創立了一家名為FlexSys的公司，以開發柔順設計的實際應用。
六年之後，經過大量的開發和幾次成功的風洞測試，我們設法將柔性翼的原型固定在比例複合材料公司白色騎士飛機的下側，以便在莫哈韋沙漠進行飛行測試。機翼安裝在噴氣式飛機的機身下方，並進行了全面的儀表化，以測量升力和阻力。其升力係數從0.1到1.1不等，而沒有增加阻力；這相當於在旨在充分利用新型柔性襟翼的機翼中，燃油效率提高了高達12%。 （改裝到現有機翼上的柔性襟翼將提高4%或更多。）考慮到美國航空公司每年消耗約160億加侖的航空燃料，這些看似很小的百分比可能意義重大。該機翼也更簡單，變形機構中沒有移動部件。因此，它將更可靠，並具有更好的重量功率比。
形狀自適應飛機機翼的真正考驗將是柔性控制面完全取代傳統襟翼的時候。我們正在完成這樣一個專案。FlexSys與美國空軍研究實驗室合作，設計和製造了一個連續表面，該表面彎曲（彎度）並在展向上扭曲，以最大限度地提高空氣動力學效能，取代產生阻力的後緣襟翼。我們已經用我們的FlexFoil可變幾何形狀控制面取代了傳統的襟翼，改裝了一架灣流宇航GIII公務機。除了顯著的燃油節省外，我們的設計預計還將降低飛機噪音：根據美國國家航空航天局的說法，飛機著陸時產生的大部分噪音是由部署的後緣襟翼與機翼固定部分之間的尖銳邊緣和間隙產生的渦流引起的。我們已經包括了過渡表面以消除這些間隙。美國國家航空航天局尼爾·A·阿姆斯特朗飛行研究中心的飛行測試計劃於7月進行。
爬行者
在過去的幾年裡，我的研究生Joshua Bishop-Moser、Girish Krishnan和我已經開始進行彈性設計研究，其靈感來自地球上最靈活的自然機器——沒有明顯骨骼的動物。這些生命形式中最不真實的，如環節動物和線蟲，以我們剛剛開始理解的方式開展業務。更熟悉的例子，如章魚，為彈性工程師提供了一個努力的目標。
蠕蟲和章魚等軟體動物缺乏任何明顯的骨骼結構，但它們可以充滿活力和優雅地移動。在大多數情況下，它們透過所謂的彈性流體學來實現這一點。用工程術語來說，它們的身體是靜水骨骼——它們由結締組織纖維和肌肉排列組成，這些纖維和肌肉圍繞著一個加壓的、充滿液體的腔體。對這些生物的解剖學研究通常揭示纖維和肌肉的交叉螺旋排列，這些纖維和肌肉圍繞著佔據充滿液體的核心的內部器官。交叉螺旋纖維充當抵抗肌肉收縮產生的流體壓力的拮抗劑；纖維的取向決定了運動範圍。
在動物界中存在許多靜水骨骼的變體。章魚的觸手是肌肉靜水骨骼。象鼻採用緊密堆積的肌肉纖維圍繞靜水骨骼體。鰻魚的纖維增強皮膚就像外部肌腱一樣，使動物能夠產生強大的推進力來游泳。
我們對彈性流體學的研究仍處於起步階段，但我們的假設是，這些元素可以用作構建“軟機器人”和其他可以安全地與人類和環境互動的裝置的元件。然而，最早的應用很可能在矯形器領域。例如，患有因肌肉硬化、關節畸形或關節僵硬引起的肢體攣縮的患者可以使用柔性矯形器，輕輕地將他們的手臂恢復到日常活動的功能位置。
柔順性受到重視
在密歇根大學柔順系統設計實驗室的許多才華橫溢的研究生的幫助下，我們於1992年開始的基礎研究已經產生了大量有用的見解和系統的設計方法。那些研究生，人數眾多，在此不一一列舉，現在正在賓夕法尼亞州立大學、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、伊利諾伊大學芝加哥分校、巴克內爾大學、美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、桑迪亞國家實驗室、空軍研究實驗室、科天公司、福特汽車公司、FlexSys公司、雷神公司和英特爾公司從事他們自己的彈性設計工作。感謝FlexSys公司才華橫溢的工程師，我們多年來開發的一些裝置即將實現商業化。我們已經完成了單體制雨刷臂架的耐候性測試並完成了生產模具，並且正在與汽車製造商和供應商討論將其作為後雨刷器實施。單體制雨刷器由玻璃填充的熱塑性聚合物製成，在寒冷和炎熱條件下均能正常工作。即使在破除冰雪時，它也不會斷裂或扭曲。當它上市時，它應該比任何競爭裝置都更耐用、更可靠且製造成本更低。
我們的柔性飛機機翼在技術上已準備好立即商業化實施。僅將現有襟翼的外側15%替換為用於巡航配平的可變幾何形狀子襟翼就可以節省5%的航空燃料。用無縫FlexFoil替換整個襟翼可以在新設計上節省約12%的燃料。我們可能還需要幾年時間才能獲得美國聯邦航空管理局的認證，但是一旦行業對柔性翼充滿信心，我們相信它們很可能會在未來所有型別的固定翼飛機中完全取代鉸接襟翼。
在汽車、家電、醫療和消費領域，彈性設計的應用案例比比皆是，它可以大大減少任何給定裝置中使用的零件數量。最大的挑戰是向工業設計師宣傳。我們柔順雨刷器等新型產品的廣泛使用應該有助於為彈性設計辯護。即便如此，挑戰仍然存在：目前還沒有易於使用的軟體工具可用於探索彈性設計。在國家科學基金會的合同下，FlexSys正在開發這方面的軟體。
彈性設計還需要幾年時間才能達到任何形式的臨界質量，但我們認為它的廣泛採用是不可避免的。彈性提供的強度、精度、多功能性和效率將為許多領域的工程師提供一套全新的工具，很快我們都將開始體會到柔性的力量。