其他

變形機械妙用多

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。

撰文/柯塔(Sridhar Kota)
翻譯/周坤毅

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變形機械妙用多

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。

撰文/柯塔(Sridhar Kota)
翻譯/周坤毅

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(Ann Arbor)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(Laxman Saggere)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(Steven Vogel)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's Devices)與《貓掌與彈弓》(Cats' Paws and Catapults)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(Ashok Midha)、楊百翰大學的豪威爾(Larry Howell)、密西根大學的歐塔(Shorya Awtar)與麻省理工學院的卡佩伯(Martin L. 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。