查克·霍伯曼在纽约市SoHo区以南的公寓里，散落着许多能做惊人事情的小机器。在他的前门和厨房之间，有：一堆小纸团，展开后变成大型褶皱拱门和管子；一捆折叠的塑料板，比帽盒大不了多少，却能展开成一个5英尺高、可容纳两人的帐篷；一个6英寸高的黑色风箱，带手柄，能变成21英寸高的公文包；一个16英寸宽的球形铝制刺猬，能膨胀成一个6英尺宽的巴克明斯特·富勒式的测地线球体。
设计这些模型是霍伯曼的谋生之道。每一个都代表着一个想法——一个获得专利的想法——关于我们称之为结构和称之为机械装置的物体之间的相似之处。在霍伯曼看来，两者可以合二为一。他设计的模型揭示了小到火柴盒、大到建筑物等设备如何通过将运动从一个部件传递到所有其他部件来改变自身的形状或大小。
未来的某个时候，这些模型可能会成为从可折叠行李到便携式防风避难所，再到像眼睛虹膜一样开合的体育场屋顶等物体的原型。到目前为止，只有少数模型显示出即时实际应用的前景。其余的只是对其原理的优雅而经济的表达——不多不少。然而，对于霍伯曼来说，这还不够。
“我不会满足于仅仅靠我的想法赚钱，”他说，“我感兴趣的是看到它们付诸实践。”
霍伯曼指望帮助他将这些想法付诸实践的人之一是伦纳德·霍恩律师，他是一位在布鲁克林长大并带有布鲁克林口音的资深专利律师，拥有40年的从业经验，霍伯曼毫不掩饰地钦佩他。“我有三项专利，兰尼总是说，‘你知道，你获得专利不是为了好玩。你应该用它们来赚钱。’他是我的导师，所以我最终会努力照他说的去做。”
这位律师似乎也回报了这位发明家的钦佩。“查克第一次来找我是在1987年，”霍恩说，“一个年轻人，刚刚开始创业，他的发明主题与众不同。我处理的大部分是有机化学。而这涉及纸张、可移动机械！这是一种轻巧而空灵，但在智力上具有启发性——转瞬即逝却可申请专利的东西。查克显然是一个有创造力的年轻人，我说，哇，也许我可以像一个守护神一样。”
我对他的第一个建议是卖。但我不用教他这个。嘿，听着，这就是他来找专利律师的原因。如果你只想要认可，那就把它发表在杂志上。如果你不追求金钱，就不要把时间浪费在专利上。
早在霍伯曼有任何东西可申请专利之前，他就对机械装置有着根深蒂固的迷恋。在20世纪70年代，他作为学生在纽约市库珀联盟学院学习艺术，主攻动态和机械雕塑。1979年毕业后，他为雕塑家维托·阿康奇工作，帮助建造了一个作品，其中包括从上层画廊的窗户悬挂梯子，然后上下移动它们。霍伯曼说，“那是一个有趣的作品，但它的工作让我意识到我对机械装置的了解比大多数艺术家都多得多。”
这次经历之后，霍伯曼决定将他对机械的兴趣引向一个有点不艺术的方向，他进入了哥伦比亚大学工程学院。1984年，就在毕业前，他开始形成不寻常的设计理论，这些理论最终将导致他公寓里的那些模型。
他说：“在艺术学院，你可以说我是一个受挫的工程师；在工程学院，我是一个受挫的艺术家。也许这只是一种心理生存机制，但在我工程学习的后期，我需要思考一些非常——我不知道该怎么说——非常艺术或抽象的东西，能让我回到我的背景。我突然想到，如果能有一种可以以某种方式消失的物体，那会很有趣。我意识到物体不可能真正消失，但你可以思考如何让物体变得非常小，然后又变得非常大。”
霍伯曼发现自己被发明家的梦想所驱动。他接下来的几年都沉浸在他称之为“鲁布·戈德堡世界”的生活中，设计着各种复杂的装置，包括滑轮、齿轮和各种以奇特方式连接在一起的部件。“我以前总是搭建东西，”他说，“但如果我需要一个齿轮，那简直是噩梦，因为我不知道去哪里弄到它。我的意思是，我有运河街，那里是经典的二手商品市场。但当你的脑子里有一个想法，你沿着运河街寻找零件时，你知道，该死的，你就是找不到。我只会拿着一块金属和一把锉刀坐在那里，锉出齿轮，或者用木头做，或者只是拼凑出最可怕的东西，因为我不知道去哪里弄到真正的材料。”
1984年的大部分时间，霍伯曼都在家中修修补补这些装置，然后赶着去哥伦比亚大学上课。第二年初，他终于获得了工程学位，并开始寻找工作。仅仅经过短暂的求职，霍伯曼就收到了几份工作邀请，其中包括贝尔实验室的一份。然而，最终他选择加入名为Honeybee Robotics的公司，这是一个由运河街工程师组成的小团队，他们在一个随意、不拘小节的环境中进行有趣的设计工作——主要是制造工业机器人。霍伯曼在Honeybee的办公室里如鱼得水，全身心投入到公司的项目中。
然而，在空闲时间，他继续研究自己的想法。又经过一年建造他的伸缩机器后，他有了一个重要的工程顿悟。
他说：“这实际上是一个非常随意，甚至可以说是摸索的过程。最初我的想法是：如果你想让一个东西变大变小，那么你必须拥有那个能变大变小的东西，然后你必须拥有让它变大变小的东西。换句话说，你必须同时拥有结构本身和某种控制它的机制。但后来我意识到，要实现真正优雅的解决方案，结构和机制必须合二为一。”
突然间，霍伯曼意识到，堵塞在他临时拼凑设计中的齿轮和滑轮不再必要；结构本身就能完成所有工作。正如霍伯曼现在所看到的，可扩展装置不必像一台机器，而更像一件折纸艺术品；他新构思的装置只需要是精心折叠的纸和胶带结构，能够像手风琴一样膨胀和收缩——尽管这是一个来自另一个维度的手风琴。仅凭折叠、切割和折痕的图案就足以将运动从结构的一部分传递到所有其他部分。
“我开始研究的是一类具有我称之为‘可展曲面’的结构，”霍伯曼说，“这本质上是一种放置在结构表面上的图案，它不仅填充空间，而且在施加力时导致结构折叠和变形。关键是该结构只能以一种方式折叠。就好像表面上的每个刻面都影响着相邻的刻面或与相邻的刻面进行着交互。如果你将其中一个刻面的位置改变，比如二十度，你就必须改变所有其他刻面；这种改变会像涟漪一样扩散开来，结构会以一种完全不同的方式折叠。”
霍伯曼在家工作，利用这些设计原理建造了许多不同寻常的可扩展结构——其中许多如今仍摆在他的公寓里。当他向Honeybee展示这些结构时，公司正确地感觉到其中可能存在一种可销售的产品。1986年，霍伯曼和他的一个同事向NASA展示了这些模型，并赢得了一份合同，设计一种可折叠的避难所，供太空行走宇航员在计划中的空间站上使用。
“美国国家航空航天局的合同只是一个研究项目，”霍伯曼说，“他们不希望我们建造一个庇护所，他们只是希望我们设计一个，建造一个模型，看看它是否可行。尽管如此，很高兴看到其他人认为可展开表面具有实际应用。”
霍伯曼的模型变得越来越精致，并最终开始使用纸张以外的材料。一个八英寸乘八英寸的可折叠墙完全由铰接黄铜小板制成。可折叠的公文包由黑色聚丙烯模制而成，与录像带盒的材料相同。与此同时，霍伯曼也开始寻找其他类型的可折叠结构。又过了一年，他发现了一种新的结构，它并非基于折叠表面，而是基于许多轻质梁的网状结构。新模型的原理与旧模型相同——动态结构中每个移动部件都决定了每个相邻部件的运动；但现在进行移动的不是部件的刻面，而是可移动的肋条。
此时，霍伯曼可以使用计算机程序模拟模型，以及可以按订单制作物理模型的金属工人。他与机械师比尔·雷科德（Bill Record）的帮助下，制作出的第一个工作模型是现在已获得专利的可扩展球体，比尔·雷科德恰如其分地领导着“Zengineering公司”。
“这幅图，”霍伯曼指着一个看起来像一把弯曲的剪刀的东西说，“真正概括了让可膨胀球体工作的想法。它如此简单，以至于在某种程度上令人惊讶没有人发现它。”
对霍伯曼来说，也许这很简单，但对于不了解的人来说，还需要稍作阐述。霍伯曼解释说，一把普通的剪刀本质上是一个两部分的机器。它只在一个点铰接，两个部件通过改变它们相对于彼此的位置来操作。然而，如果你将两把或三把剪刀首尾相连，就像一套可伸缩的壁炉钳一样，这个新装置就会变得有点复杂：现在，当你打开第一把剪刀时，所有其他的剪刀也会打开，导致整个结构变得更宽，并在长度上收缩。当你合上剪刀时，机器又会变得更窄更长。
为了建造他的可膨胀球体，霍伯曼从这种钳子模型开始，然后做了两个关键修改。构成球体的数百个剪刀状部件中的每一个都由两根略微弯曲（偏离直线10度）的6英寸肋条组成。除了弯曲肋条，霍伯曼还改变了它们支点的位置，使其略微偏离中心。就像壁炉钳一样，膨胀球体中的每根肋条有三个连接点：两端各一个，用于连接它前后相邻的肋条；一个在中心，用于连接它的搭档肋条。在壁炉钳中，这三个连接点都在一条直线上——你可以从第一个点直接穿过中心点到达第三个点画一条直线。在霍伯曼的膨胀球体中，中心点向一侧偏移了一点点，因此从第一个点到第三个点的直线会刚好经过它。
肋条的弯曲和枢轴点移位的结果是，当你把剪刀串联起来时，它们会形成一个柔和的弧形；更重要的是，它们在膨胀和收缩时保持相同的曲率。足够长的肋条集合因此可以形成一个可以变大变小但始终保持其360度形状的圆形；三维肋条集合可以组装成一个膨胀的球体。事实上，通过改变肋条的排列，霍伯曼几乎可以形成任何二维或三维形状。
“我有时用的类比是，一个木匠在房子上盖屋顶，”霍伯曼说，“如果你想盖一个屋顶，你只是把所有的二乘四木板首尾相接，那么你得到的屋顶将是平的。然而，如果每块二乘四木板的末端都稍微斜切，那么当它们连接时，任何两块木板都会形成一个微小的角度；把一排木板钉在一起就会形成一个拱形。”
当霍伯曼第一次把可膨胀球体带给伦纳德·霍恩时，这位律师从中看到了一个产品。霍恩相信，这个结构可以制成一个完美的儿童家庭冰屋，不用时可以折叠起来收好。1989年，霍伯曼和霍恩开始与Abrams/Gentile Entertainment（一个霍伯曼称之为“玩具智囊团”）合作，该智囊团将新的玩具创意开发到原型阶段，然后将知识产权授权给大型玩具制造商。
霍伯曼和AGE最初接触是因为这家玩具公司最成功的产品之一——Power Glove，一款任天堂视频游戏配件，它能感应佩戴者手部的动作并将其转换为计算机数据。佩戴者无需使用按钮或操纵杆即可控制屏幕上的动作。Power Glove源自一个更先进的同类想法，名为Data Glove，售价9000美元，主要用于军事和实验应用。AGE获得了Data Glove的授权，重新设计使其成本降至20美元，然后又将其授权给美泰玩具公司，由其生产用于任天堂系统。AGE通过这种安排赚了很多钱；显而易见的下一步是利用其成功将手套连接到机器人上，因此它联系了Honeybee Robotics。
“我们就是在那时候第一次见到查克，并看到了这些特殊的结构，”AGE的合伙人约翰·琴蒂莱说，“然后查克和我进行了对话，我觉得他的想法可能很有潜力，但它当时还处于非常抽象的形式。所以在接下来的一年里，我们致力于开发具体的玩具和游戏概念，目的是让它们更容易被玩具行业的人接受。”
玩具行业竞争激烈是出了名的，而琴蒂莱对其公司正在进行的具体项目守口如瓶，但他列举了几类可折叠结构可以应用的玩具。首先是户外活动类别，听起来有点像霍恩的冰屋想法；然后是积木套件类别——琴蒂莱称之为“2000年的乐高积木”——它将允许孩子先建造一个特定尺寸的东西，然后将其放大或缩小。
最后，是所谓的“男性动作人偶”类别，这个词当然是指男孩的玩偶，但在玩具行业，这是一个不可饶恕的自相矛盾。动作人偶制造商通常试图通过超男性化的主题来消除玩偶的女性化污名：宇宙巨人希曼、兰博、特种部队。琴蒂莱正在研究可折叠结构，这些结构在收缩时与动作人偶成比例，但可以扩展到男孩的比例。
“假设特定的游戏环境高十一英寸，”琴蒂莱说，“那它大概是动作人偶旁边的一栋两层楼的建筑。当结构为孩子展开时，它可能高五英尺，这样三四岁的孩子就可以爬进去、坐下或跪在这些东西下面。”
琴蒂莱的努力使玩具成为霍伯曼想法应用最发达的领域，但还有许多其他应用可能很快迎头赶上。伦纳德·霍恩的工作偶尔会带他去贸易展，他提出了可折叠的贸易展展示摊位。然而，霍伯曼本人则能看到他的发明在更光鲜的环境中。
“我曾与电影导演、艺术总监、特效人员面对面交流过，”他说，“他们都会说，‘太棒了，我们爱死你了，宝贝，爱死它了。’我们会看看他们是否真的爱它。但如果他们真的爱它，那也说得通。这些结构在视觉上引人注目。在娱乐业，这很大程度上就是全部。在开发像我这样的想法时，从幻想的末端开始，然后逐步走向现实的末端，这是最有意义的。”
事实上，霍伯曼最终可能会同时兼顾两方面。一个更大版本的膨胀球体已经成为现实，它的直径从4.5英尺增长到惊人的18英尺。该模型定于10月在泽西市的自由科学中心展出，俯瞰自由女神像和埃利斯岛。霍伯曼说，计划是将球体悬挂在博物馆的中央中庭，并通过电机进行开合。
然而，最能代表霍伯曼愿景现实端的是建筑，更具体地说，是像虹膜一样开合的体育场屋顶。屋顶将由同心圆环的弯曲剪刀状组件构成，这些组件支撑着一套滑动梯形屋顶面板；面板将随着剪刀的运动平稳地移动。霍伯曼制作的计算机图纸显示，这些梁从下方看会像一组纵横交错的螺旋线。屋顶面板将透过螺旋线可见，看起来像逐渐伸展以填满整个屋顶圆圈的三角形齿。
霍伯曼最近完成了屋顶的四英尺直径模型，即使在这个尺度下，该机制的优雅也令人印象深刻。“将这个想法扩展到棒球场规模将非常困难，”霍伯曼说，“但绝非不可能。要让它在那种规模下运行，涉及许多基本的工程技术问题。当你跳入一个更大的结构时，它就完全是另一回事了。在一个小型模型中，每个部件基本上都像一个完全刚性的部件，每个枢轴都像一个自由转动的关节。但当你建造一个非常大的东西时，那些原本刚性的部件会弯曲和变形，那些原本自由转动的部件会开始卡住。理解其中发生的事情是一个大问题。”
即使问题得以解决——毫无疑问会解决——霍伯曼也不想将他所有的精力投入到这一个或任何其他单一项目上。他相信他的设计原则有如此多的可能性，如此多的应用，以至于它们终有一天会出现在玩具、建筑物、空间站以及许多尚未想象到的其他结构中。
“我认为一个非常恰当的类比是巴基·富勒的工作，”他说，“你知道，测地线到底是什么？它是一个相当抽象的数学结构，结果证明它是跨越最大距离所需的最少材料。整个概念并没有指向一种用途、一种材料或一种尺寸。在他的案例中，它主要有结构应用；在我的案例中，我的想法更处于一种悬而未决的状态。在某种程度上，如果它的潜在用途更少，反而会更容易。但实际上，任何你想让某个东西出于某种原因而折叠起来的地方——任何你可能想要一个可以变大变小的结构的地方——这些设计都能找到用武之地。”
