變形機械妙用多 - 科學人雜誌

重點提要□傳統機械是由許多剛性零件組成、缺乏效率的複雜系統，剛性與撓性 ... 這種把應力變形集中在局部區域的做法稱為「局部撓性機構」，研究人員 ... 編輯推薦 變形機械妙用多 2014/05/28 柯塔（SridharKota） 利用材料與生俱來的撓性，製造出多變的單件式機械。

它們耐用並且效率更高，將能取代多零件、缺乏效率的傳統機械。

重點提要 ■傳統機械是由許多剛性零件組成、缺乏效率的複雜系統，剛性與撓性通常就像魚與熊掌般不可兼得。

■彈性設計利用材料的撓性，分散負荷至可變形結構，以減少零件數量。

■彈性設計將帶來全新的機械設計，例如撓性機翼、機器蛇與各種更耐用、效率更高的產品。

我依稀記得，1995年某個飄雨的日子，我開車到美國密西根州安娜堡（AnnArbor）附近，擋風玻璃上的雨刷吸引了我的注意。

我在成為密西根大學機械工程學系助理教授前，做過好幾年業界稱為「組裝導向設計」的研究，目標是減少機械設計中的零件數，進而降低製造與組裝成本。

在研究過程中，我開始思考：是否能把組裝導向設計推向極致，設計出完全不需組裝的產品？ 我邊開車邊想，擋風玻璃上的雨刷真是浪費工程資源的可笑設計。

雨刷骨架上裝有可替換的雨刮（膠條），骨架必須具有高度彈性，能把雨刮壓在不規則的擋風玻璃表面來回擺動。

此外，雨刷還得適應多種車款的不同玻璃弧度。

為了滿足這些多變的需求，雨刷設計成由連桿與轉軸組成的複雜機械。

當時我正專注於彈性（或撓性）設計，目標是盡可能利用少量零件製成耐用的撓性機械。

我與同事已經成功使用單件材料製造出許多機械，舉例來說，我與研究生安南撒蘇瑞許（G.K.Ananthasuresh）、薩格瑞（LaxmanSaggere）在1993年做出一款不需組裝的撓性釘書機。

而我想到擋風玻璃上的雨刷將會是絕佳的測試，如果能夠成功設計出完全不需組裝的單件式雨刷，好處可不只是工程簡化而已。

畢竟製造雨刷的主要成本在於組裝，因此這類需要密集組裝勞力的產業早已外移到工資較低的國家，就一點也不令人意外了。

我與同事並未立即開始設計單件式雨刷。

過去20年來，我的研究重心擺在彈性設計的基本原理，也就是發展工程師在設計與製造撓性裝置時所需的理論工具。

最終我們確實設計出單件式雨刷，事實上，我們還利用彈性設計做出微型單件式運動放大器、撓性機翼、機器蛇與其他機械，每件設計都代表即將來臨的全新工程典範。

師法自然 其實我們早已熟悉撓性機械。

最早出現、同時也是最優雅的範例可說是射箭用的弓。

當弓箭手拉弓時，逐漸累積彈性位能，接著快速釋放弓弦推動弓箭前進，這種耐用的撓性機械能多次精確地重複使用而不會斷裂。

另一個較新的例子是洗髮精瓶蓋，這種單件式裝置結合了易開瓶蓋與螺旋密封圈而不需機械鉸鏈。

此外還有醫院廣泛使用的可拋棄式醫用鑷子，它的精細度高到足以在手術房使用，但又便宜到每次用完便能拋棄。

我在1995年拜讀了杜克大學知名生物學家伏格爾（StevenVogel）的著作時，逐漸理解最成功的彈性設計其實存在於大自然中。

他在《生物機械》（Life'sDevices）與《貓掌與彈弓》（Cats'PawsandCatapults）等書中，詳細解釋了生物構造與人類機械相比的精妙之處。

樹木的枝幹、鳥的翅膀、螃蟹的腳與象鼻都十分強壯而具有撓性，其中一個部位能從另一個部位上長出來，或透過自行再生的強壯介面相互連接。

它們利用與生俱來的彈性來彎曲、纏繞與折疊，這是齒輪、滑動臂與彈簧組成的機械系統做不到的。

數千年來，人類累積了設計橋樑與建築物這類剛性結構的經驗。

我們大多採用強壯而堅硬的材料，如果承受的應力太高，我們便補上更多材料來分散負荷或增加剛性。

在這類應用中，剛性越高越好，撓性反而是缺陷。

除非你設計的是抗震建築，否則不會考慮撓度（承受應力時變形或彎曲的程度）。

相反的是，彈性設計必須考慮撓度。

如果彎曲處承受的應力太高，我們會把材料變薄而非加厚，因為撓性結構的目的是利用彈性來達成機械或運動的功能。

以洗髮精的瓶蓋為例，它的應力集中在連接瓶蓋與基座的聚合物薄片上，可拋棄式鑷子上也有類似的設計。

這種把應力變形集中在局部區域的做法稱為「局部撓性機構」，研究人員從1950年代便已經開始相關研究。

最近密蘇里科技大學的米達哈（AshokMidha）、楊百翰大學的豪威爾（LarryHowell）、密西根大學的歐塔（ShoryaAwtar）與麻省理工學院的卡佩伯（MartinL.Culpepper）也在這個領域做出卓越貢獻，把局部撓性機構應用於精密儀器與微型定位裝置上。

相較之下，射箭用的弓並未把應力變形集中在局部區域，而是平均分散在總長上。

製造能承受大量負載的撓性結構時，得採用這種稱為「分散式撓性機構」的設計，譬如飛機機翼或能運轉數百萬次的馬達。

當我開始鑽研這個領域時，找不到任何設計分散式撓性機構所需的理論基礎或通則，因此我自然把精力集中在此，而這也是我最感興趣的領域。

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