看看最近的门上的铰链。它的两半彼此之间以及围绕其中心销平滑滑动。然后看看猫或狗的耳朵，当它转向某个沙沙声或吱吱声时。肌肉拉动软骨，使每个结构围绕其枢轴扭曲，皮肤伸展以适应运动。这些耳朵也是铰链，但它们是由可弯曲的柔性材料制成的，而不是可滑动的固体部件。
这种区别说明了我们的技术与自然界的技术之间的一个巨大差异。我们喜欢坚硬的材料——金属、陶瓷、干木材等——它们能保持形状。相比之下，大自然通常将坚硬的材料用于特殊应用——骨骼、牙齿等——在这些地方，刚性对于设备正常工作至关重要。弯曲的骨骼可以说缺乏支撑，而柔软的牙齿则没有咬合力。但这种结构是罕见的，因为大自然对硬度的分配是吝啬的。她的正常标准是足够的强度，这与硬度完全不同。强度意味着抵抗的不是弯曲或其他变形，而是实际的断裂，无论形状可能发生了怎样的变化。在不坚硬的生命世界中，对结构施加压力通常会改变其形状。推一推耳朵，它会愉快地弯曲。把手拿开，它又会弹回来。
问哪个标准更好是毫无意义的。这个问题过于微妙，无法用一些简单的选择来衡量人类的傲慢与自然崇拜。我们人类拥有数千年关于如何用坚硬材料制造物品的累积知识，只有真正自欺欺人的厌世者才会声称我们没有很好地利用这些材料。尽管如此，当我们思考机械设计问题时，我们可以从不带评判和竞争的眼光看待猫耳的世界中受益。
刚度（或抵抗变形的能力）和强度（或抵抗断裂的能力）之间存在着一种奇特的关系。物体在断裂之前会变形，结构在断裂之前通常会弯曲很多。即使在给定载荷下没有实际断裂的危险，结构也可能需要额外的支撑来防止其弯曲或屈曲。当然，额外的支撑意味着额外的材料，因此建造坚硬的结构比建造仅仅坚固的结构更昂贵。也许不那么明显的是，坚硬的材料往往容易断裂——它们太容易变得脆性，在压力下会突然而灾难性地折断。
但正如最近的生物力学研究所示，使用柔性材料不仅仅是为了廉价地规避一些裂缝。对大自然而言，柔性是一项奇妙的细致入微、用途广泛的事业——并非简单的柔软，而是一个多维的世界，为设计以极其有用的方式改变形状的结构提供了机会。
海浪的冲击对许多不同的生物都构成了设计挑战，从水手到海藻。假设您想建造一个长而浮力大、表面积大、能承受水流冲击的结构：例如，船体或海带。人们通常选择坚硬的解决方案；因此，金属船体。然而，水中的坚硬结构需要大量的支撑，可能会突然断裂，如果撞到其他坚硬结构，就会陷入真正的麻烦。另一方面，海洋藻类，例如生活在加利福尼亚海岸的那些，分裂的危险要小得多。这些植物可以长到130英尺长，而且由于它们的主要任务是光合作用，它们需要将大片表面积暴露在阳光下。但这些藻类通常只在一端附着在岩石上，而且它们的附着力对于承受风暴产生的海浪拉力的长结构来说似乎非常弱。为什么海浪没有把它们从岩石上撕下来呢？
植物表面与其所处的水体之间的摩擦力似乎会拖拽植物，并有可能将其撕成碎片。但海藻利用海洋的规律性，大幅减少了这种阻力。方法如下：波浪产生的流向每隔几秒钟就会反转。一旦海藻的长度超过了局部水体在反转之间所经过的距离，多余的长度就会随着水体来回摆动。在第一段之后，植物实际上是“随波逐流”的。由于它与水体同向同速运动，因此无需担心摩擦。在流速为每秒三英尺，每四秒钟反转一次的情况下，只有最前端的十几英尺海藻会拉扯附着点。你可以想尽办法避免阻力，但只有像海藻一样柔韧如绳，一部分可以向不同方向伸展，才能成功。
对于被拉扯的结构而言，柔韧性并非自动优势。例如，我们通常挂在长杆顶部的旗帜和三角旗在强风中很容易被撕裂。旗帜以其拖曳性而闻名——它们的运动会产生漩涡，从而拉扯它们。相同面积的旗帜的拖曳力大约是刚性风向标的十倍。风不会像波浪产生的洋流那样反向。然而，大自然也会在长杆上悬挂旗帜；她的旗帜被称为树叶。在强风中，它们对树干和树根施加的拖曳力可能非常大，以至于风暴会吹倒树木。
那么，树木为什么还能屹立不倒呢？虽然树叶可能很柔软，但它们所承受的阻力更接近于刚性风向标的低阻力，而不是“星条旗”的高阻力。它们通过精心安排形状和柔韧性来实现这一壮举。例如，当风吹动枫叶时，它会抓住叶柄两侧的叶片。这些叶片向上弯曲，叶片卷曲成女巫帽状，叶柄是它的尖端。因为叶片在正确的位置具有恰到好处的柔韧性，所以随着风力增加，锥形卷得越来越紧。即使在高度湍流和波动的风中，这些锥形也是稳定的，风会平稳地滑过它们。
叶子既有单独的技巧，也有集体的技巧。在风中，树枝上相邻的叶子通常会聚集成团，形成从树枝向外发散的大圆锥体。这种聚集成团的叶子，相对于其面积而言，通常比单片叶子的阻力更小。在这里，每片叶柄的柔韧性与它所承载的叶片的柔韧性同样关键——为了使叶子形成一个协同工作的群体，叶柄必须容易扭曲。然而，这个要求带来了一个奇怪的设计问题：毕竟，叶子的主要功能是吸收阳光，因此叶柄的主要作用是将叶片向外伸展，朝向太阳——这项任务要求叶柄抵抗弯曲。因此，叶柄必须抵抗弯曲载荷，但要顺应扭曲载荷。
很大程度上，茎杆依靠其几何形状使其更容易扭转而不是弯曲。您可以通过一个简单的家庭演示来了解它们是如何做到的。拿一个纸板管或塑料吸管，先尝试弯曲，然后尝试扭转它；然后沿着圆筒的长度方向开一道缝，再试一次。这道缝当然会削弱它，但圆筒对扭转的抵抗力比对弯曲的抵抗力降低得更多。事实上，任何纵向的凹槽或弱线，甚至任何偏离圆形横截面的地方，都会产生同样的效果。
许多叶柄的顶部都有一条纵向凹槽。这种对基本圆柱形形状的改变（以及内部材料的特殊化）使得茎杆的扭转相对于弯曲的难易程度是塑料或金属制成的无凹槽圆柱体的两到六倍。
看看鸟翼上的长羽毛，你会发现同样的原理在起作用。其中一侧，沿着羽毛轴的长度方向有一条纵向凹槽。同样，易于扭转对于正常功能至关重要。翅膀推动鸟类的方式与螺旋桨推动飞机的方式非常相似——主要区别在于它们是上下拍打而不是旋转。螺旋桨叶片必须沿长度方向扭曲，才能对穿过它的空气产生适当的推力。如果它朝另一个方向旋转，叶片的长度方向扭曲就必须反转。但是拍打翅膀的羽毛必须在每次拍打中处理方向的变化和扭曲的反转两次。同时，羽毛必须抵抗弯曲——毕竟，翅膀是托举鸟类的，所以在飞行中，鸟的身体确实悬挂在翅膀上。再次，这里有一个必须扭曲但不能弯曲的结构。
然而，叶柄和翅膀羽毛之间存在着一个重要的区别——在羽毛上，凹槽位于底部，而不是顶部。这一点也说得通，你可以用你的纸板管或吸管来演示。在弯曲时，一侧被拉伸，另一侧被压缩，如果裂缝位于被拉伸的一侧，它对弯曲造成的麻烦最小。对于叶柄来说，那就是顶部，因为叶片的重量使其向下弯曲。对于羽毛来说，底部被拉伸——它自身的升力使羽毛向上弯曲。
正如英国曼彻斯特大学的罗兰·埃诺斯（Roland Ennos）所展示的，像鸟类一样，飞行昆虫通过扭动身体飞向空中。昆虫的翅膀（太扁平，没有凹槽）比鸟类的翅膀更像螺旋桨叶片。整个翅膀必须在每次拍动周期的顶部和底部反转其俯仰角（前后倾斜）、其剖面（前后弯曲）和其纵向扭曲——每秒反转多达数百次。以前认为，翅膀基部微小的肌肉通过调节铰链和拉动翅脉来完成这项工作。在埃诺斯之前，似乎没有人认真考虑过以如此高速循环的肌肉是如何协调的。埃诺斯表明，翅膀设计具有恰到好处的柔韧性，以便在拍动时，它们被风吹动，以正确的俯仰、剖面和扭曲变化。肌肉只在昆虫调整飞行速度或进行机动时调节这些变化。
从考察突出部分如何扭曲和弯曲，不难看出身体内部弹性的重要性。例如，你的整个循环系统都依赖于心脏和血管的弹性。每次心脏跳动时，其主要泵血腔室——左心室——收缩并产生强大的压力，将血液泵入你的动脉。然后心室放松，让血液从心脏的另一部分流入，使其重新充满。
与气体不同，液体不能被压缩太多。我们正是依靠这一事实来帮助我们测量血压。想象一根J形管，两端开口，里面装满了水银，一种沉重的致密液体。如果你把嘴唇贴在J形的低端吹气，你可以让水银上升——你吹得越用力，液体就会上升得越高。我们用毫米汞柱来测量血压；一毫米汞柱是将一毫米高的水银柱抬高所需的压力。
当你的左心室收缩时，它会以大约120毫米汞柱的压力将血液泵出；当它放松时，它根本不会泵出任何血液，所以那一刻心室出口处的压力是零。零？那为什么医生用臂带测量你的血压时，范围大约是80到120呢？仅仅是因为当血液到达手臂时，它已经在动脉中行进了相当远的距离，而我们的动脉足够有弹性，可以缓冲心脏的压力波动。心脏收缩时泵出的血液会拉伸动脉壁；当心脏放松时，动脉收缩，从而进行一点被动泵血。这也是一件好事。进入毛细血管（人体最小的血管）的血液流动更加顺畅，这意味着心脏不必那么努力地工作来维持血液流动。这就是动脉粥样硬化——动脉壁僵硬——意味着麻烦的原因。
许多普通的泵（例如我们用来给自行车轮胎充气的活塞泵）都像心脏一样跳动。我们可以用连接在这些泵上的弹性管道来平滑流量，但实际上我们通常选择使用多个气缸协同工作的泵，每个气缸在比其他气缸稍晚的时间达到其峰值压力。同样的问题，不同的解决方案。
我们的弹性动脉解决方案听起来很简单，直到你玩一个普通的橡皮筋。给一个圆柱形气球充气，总会有一部分几乎膨胀到爆裂点，而其余部分变化不大。这是因为当它膨胀时，气球壁的一部分弯曲度会减小，相同的压力在拉伸更平坦的壁时会更有效。（同样的原理使得赛车轮胎的急剧弯曲壁能够承受比大型卡车轮胎更大的压力。）因此，气球壁上任何一点最先开始膨胀——而且总会有某一点，因为没有气球是完全规则的——就会一直膨胀下去。这种弹性在普通弹性动脉中会导致局部膨胀——动脉瘤，甚至比动脉粥样硬化更糟糕的麻烦。
幸运的是，正常动脉均匀扩张。但正如气球所示，扩张的均匀性并非寻常。为了实现均匀性，圆柱体在受到低压应力时必须非常柔韧，但随着压力的增加，柔韧性会越来越小。我们动脉壁的材料被巧妙地布置，使其易于开始扩张，但越来越难以使其进一步扩张。再次强调，柔韧性是一个微妙而多维的问题。
然而，为了避免您认为我们非凡的动脉使我们变得特殊，您应该看看一些循环系统与我们运作方式相似的生物——这些生物与我们的亲缘关系远得不能再远。最近，海洋生物学家在鱿鱼和章鱼的动脉中发现了几乎完全相同的可变柔韧性。主要区别在于它们的柔韧性经过调整，可以在较低的血压下工作，正如他们在蟾蜍和蜥蜴等其他低血压亲属中也发现的那样。最令人惊讶的是，章鱼和鱿鱼通过与我们脊椎动物使用的不同的弹性蛋白实现了它们的可变柔韧性。由于基因制造蛋白质，章鱼和鱿鱼动脉的柔韧性必然具有截然不同的遗传基础，并且必须代表一项独立的进化创新。
仿佛是为了强调这一点，第三类动物通过第三条途径实现了目标。螃蟹和龙虾拥有由另一种蛋白质制成的可变柔性动脉，同样经过调整以在适当的血压下工作。这种柔性调节可以进行有力的预测。给定其动脉壁的样本，可以很好地猜测动物的血压。例如，未经圈养的巨型鱿鱼的血压据称与我们人类一样高。
大自然看起来多么令人羡慕的柔韧和巧妙啊！但在我们模仿锡人，捶打他僵硬的人造外骨骼渴望一颗生物心脏之前，我们应该重新思考人类技术与自然技术之间这种差异的中心问题，以及它的基础是什么。毕竟，无论是遗传学还是立法，都没有要求对刚性或强度存在潜在偏见。而这些仅仅是偏见，而不是某种僵化的规定。牙齿是坚硬的；吊床是柔软灵活的。
虽然尚无明确答案，但答案的一些组成部分已经浮出水面。大自然偏爱柔韧性，可能与其成本核算息息相关。未投入结构的能量和材料可以用于真正重要的地方——繁殖。生物遇到的大多数负荷都可以由受拉部件承受，也就是像叶柄和动脉壁这样的绳状结构所擅长的。当压缩不可避免时，例如重力压在树干或腿骨上时，则毫不犹豫地使用坚硬的材料。
我们为什么不更多地利用柔性材料和结构呢？嗯，作为大型、受重力影响的陆生动物，我们确实在不会在脚下下陷的平坦地板上行走更方便，而且只有当桥梁足够坚固，让我们能够保持身体平衡，解放双臂时，我们才能携带物品过桥。我们在烤箱和发动机中使用高温，只有我们坚硬的金属和陶瓷才能承受；我们想要能切割和锤击的工具，以及能在各种天气下屹立不倒的高楼大厦——诸如此类。
传统无疑在我们的制造方式中扮演着角色，我们习惯使用的材料从相当坚硬到极其坚硬不等；我们对干木材、金属、石头和砖石等物质有着悠久的经验和充足的供应。但是，当我们越来越关注重量和材料经济性，并且越来越多地使用较软的塑料时，我们正在发现柔韧性的优点，开发出像真正弯曲的铰链和防撞、吸能的保险杠这样的装置。尽管如此，我们仍然是大自然游戏的初学者。她知道弯曲变形可能会带来好处，我们不妨也侧耳倾听这个信息。
