工藝結(jié)構(gòu)

世上奇跡雖多，若論神奇

難比于人——

他迎著凜冬寒風(fēng)，

穿過滔天巨浪，

橫渡滄溟茫茫；

連不倦不朽之大地，這最古老的神靈，

亦厭倦他，年復(fù)一年，

來來去去，耕耘不輟。

逍遙自在者，飛鳥，

走獸，游魚，

盡入其網(wǎng)，

敗于他的狡黠。

——索?？死账梗⊿ophocles），《安提戈涅》（Antigone）

本杰明·富蘭克林曾把人定義為“一種會(huì)制造工具的動(dòng)物”。事實(shí)上，好多其他動(dòng)物也會(huì)制造并使用相當(dāng)原始的工具，它們筑巢的本事甚至常常超過未開化的人。要指明人類走出洪荒的確切時(shí)刻絕非易事，彼時(shí)人類的技藝可以說完勝那些淪為食物的野獸?？紤]到早期人類可能棲息于樹上這個(gè)事實(shí)，或許，它比我們想象的要晚。

然而，人類從最早期的棍棒和石塊（并不比高等動(dòng)物使用的工具好多少）到石器時(shí)代晚期成熟精美的手工制品，跨越了一條巨大的鴻溝。金屬工具時(shí)代之前的文明在化外之地存續(xù)已久，許多器物就陳列在博物館里。不借助金屬材料就制作出堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，需要一種把握應(yīng)力分布和方向的天賦，這是現(xiàn)代工程師未必具備的；金屬自有堅(jiān)韌且均質(zhì)之便，就其運(yùn)用而言，既有直覺上的考量，也有工程之外的思索。自玻璃纖維等人工復(fù)合材料問世以來，我們間或回歸波利尼西亞人和因紐特人開發(fā)出的那種含纖維的非金屬結(jié)構(gòu)。故而，我們?cè)桨l(fā)意識(shí)到自身在運(yùn)用應(yīng)力體系方面的不足，也因此更加敬重原始工藝。

事實(shí)上，金屬工藝進(jìn)入人類文明——大致在公元前2000年到公元前1000年間——對(duì)大部分人工結(jié)構(gòu)來說，并沒有帶來特別巨大或直接的不同，原因在于金屬既稀缺又昂貴，且不易成形。在切削工具、武器以及甲胄上局部使用金屬自有其效果，但大多數(shù)承擔(dān)負(fù)載的人工制品仍是由磚石、木材、皮革、繩索和紡織物構(gòu)成的。

建磨坊的、造車的、造船的以及搞裝配的工匠在使用這些舊式的混合構(gòu)造時(shí)，需要具備高超的技能，但他們有各自的弱勢(shì)，也會(huì)因缺乏正規(guī)理論訓(xùn)練而犯錯(cuò)?？偠灾羝c機(jī)械的引入導(dǎo)致了手工技能的弱化，也使應(yīng)用于“先進(jìn)工藝”的材料范圍局限于少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的剛性材質(zhì)，譬如鋼材和混凝土。

雖然某些早期發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓并不比我們的血壓高多少，但像皮革這樣的材料無法承受灼熱的蒸汽，工程師沒法用皮囊、皮膜和軟管制作出一臺(tái)蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，他們只能用金屬，并借助機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)。要是讓動(dòng)物來做同樣的事，它們的辦法可能更簡(jiǎn)單，耗材或許更輕。而工程師則不得不依靠輪子、彈簧、連桿和氣缸中滑動(dòng)的活塞來達(dá)成目標(biāo)。

雖然這些笨重的裝置最初是受材料所限而不得已用之，但工程師已逐漸把這種技術(shù)視作正當(dāng)且體面的方法。在習(xí)慣使用金屬齒輪和主梁后，工程師玩出了新花樣。此外，這種對(duì)材料和技術(shù)的態(tài)度已經(jīng)散播到普通人中間去了。不久前，在一場(chǎng)雞尾酒會(huì)上，一位美國(guó)科學(xué)家的美麗妻子對(duì)我說：“你是說人們過去是用木材造飛機(jī)的嗎？就用破木頭！我不信，你就胡扯吧。”

我們應(yīng)如何客觀評(píng)價(jià)這些結(jié)構(gòu)，它們又在多大程度上是基于偏見和趕時(shí)髦的心血來潮，這是本書探討的問題之一。我們需要保持一種均衡的觀點(diǎn)。工程結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)選材范圍遍及磚石混凝土、鋼材和鋁材，已經(jīng)非常成功，我們顯然不可等閑視之，既因?yàn)檫@些材料本身的作用，也因?yàn)槲覀儚闹蝎@益良多。然而，我們或許記得，充氣輪胎改變了陸上運(yùn)輸?shù)拿婷?，這可能是比內(nèi)燃機(jī)更重要的發(fā)明。但我們一般不怎么給工科生講授輪胎的相關(guān)知識(shí)，工科學(xué)校有一個(gè)明顯的傾向，即對(duì)柔性結(jié)構(gòu)一概諱莫如深。當(dāng)我們更寬泛地看待這個(gè)問題時(shí)，或許可以發(fā)現(xiàn)，出于定量的考慮，我們可以試著重構(gòu)傳統(tǒng)工程學(xué)的某些部分，將其建立在仿生學(xué)模型的基礎(chǔ)上。

無論我們持何種觀點(diǎn)，都無法回避這樣的事實(shí)：工程技術(shù)的每個(gè)分支都必須或多或少地關(guān)注強(qiáng)度和撓度的問題。而且，如果我們?cè)谶@些問題上犯錯(cuò)帶來的僅僅是惱人的煩瑣程序或高昂的花費(fèi)，而非人員傷亡的后果，我們已經(jīng)相當(dāng)走運(yùn)了。那些從事與電子相關(guān)工作的人可能會(huì)被提醒，大部分電氣與電子設(shè)備的故障都是由機(jī)械故障引發(fā)的。

結(jié)構(gòu)能夠被破壞，也確實(shí)會(huì)遭到破壞，這可能很重要，有時(shí)也頗富戲劇性；但是，在傳統(tǒng)的工程技術(shù)中，一個(gè)結(jié)構(gòu)在破壞前的剛度和撓度在實(shí)踐過程中可能更為重要。搖搖晃晃的房子、地板和桌子難遂人意，我們應(yīng)該意識(shí)到光學(xué)設(shè)備，比如顯微鏡或照相機(jī)，其性能不僅取決于鏡頭的品質(zhì)，還依賴于其架設(shè)位置的精度和剛度。而這類失誤比比皆是。