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设计，人类的本性 当 我想向学生们介绍工程学中疲劳这一概念时，我带了一盒曲别针到教室。在学生们面前，我拉开了一个曲别针的夹舌，然后开始反复地来回折，直至把它折为两段。我告诉学生，这就是由疲劳引发的破坏，并指出将曲别针折断需要来回移动的圈数不仅取决于曲别针的坚固程度，还取决于我折它时所使用的力度。正常使用曲别针夹几张纸时，比如把它们夹在纸上或者从纸上取下来，它们大概能够承受数千或数百万次轻度的开合，因此我们很少会碰到它们断掉的情况。但是当曲别针的夹舌被拉开得过大，就像我们要用它们夹住一整本书时，可能仅仅10或20次的反复开合就会使它们濒临被折断的边缘。
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说完，我给每个学生发了大约半打曲别针，让他们按照我做的那样尽可能大幅度地折这些曲别针直到把它们折断。当学生们开始这项低成本的实验时，我在黑板上做好准备以便记录折断每个曲别针所需要的弯曲数。当学生们喊出数字时，我把它们标在被称为柱状统计图的条形图上。这些数字都清晰地落在一个钟形正态分布曲线的下方，这一曲线标示出实验结果的统计分布情况。随后我引导学生们解释，在折曲次数相同的情况下不是所有的曲别针都断掉的原因。同学们在两大主要成因上意见一致：不是所有的曲别针都具有同等的强度，并不是所有的学生都用完全相同的方式折曲别针。这样，学生们立刻就意识到金属的这一疲劳现象，以及由金属疲劳引发的破坏不是可以精确预见的这一事实。
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日常生活中许多恼人的小事都应归因于反复使用引起的可预见性损坏（但不全是这样）。鞋带和灯泡，还有其他类似的物品好像会突然之间在我们最不方便的时候给我们增添麻烦。他们会在看上去不比平时经受过数百或数千次的更为严重的情况下的坏掉或熄灭。一个持续亮了几十年的灯泡可能会被载入吉尼斯世界纪录，但是对于一个精通疲劳现象的工程师来说，这种成就并不引人注目。只有当那个灯泡在那几十年中每天都被点亮、关闭，才可以说它的耐力非凡，因为对灯丝的循环加热而非持续加热才是使其毁灭的根源。因此，由于疲劳效应经常变化，所以装在记分牌上的灯泡一个都没有熄灭的情况是很罕见的。
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孩子们的玩具特别易于疲劳破坏，这不仅是因为孩子们把它们置于近似无休止的使用状态之中，还因为厂商通常对玩具都不会进行超安全标准设计。制作一个十分结实耐用的玩具不但会使它太重而不易于孩子们进行操作，其成本也会高于它的仿制品。于是，在弹跳了很多次后橡皮球的接缝处裂开了，在街区附近绕了很多圈后，金属三轮车的焊接处断裂了，在多次点头表示赞同后，塑料玩具的头也掉了。
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甚至一款近几年最有创意的电子玩具在孩子们（和家长们）还没玩够之前也变成了机械疲劳的受害者。得州仪器的“说话与拼写”有效地采用了一款一流的微电子声音合成器。这个鲜红色的塑料玩具用一种熟悉的声音让孩子拼写来自玩具储存器词汇库中的某个单词。孩子用食指在键盘上费力地敲打字母，而后这些字母会出现在一个像计算器一样的显示器上。当孩子拼完一个单词后，按下回车键，玩具计算机就会告诉孩子他的拼写是否正确，当单词被拼错时，它会提醒孩子再试一次。“说话与拼写”的设置很先进，如果孩子在5分钟内没有按任何键，它就会自动关机，节约电源（它使用4节C型电池）。
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对于我儿子斯蒂芬“说话与拼写”带给了他近数百小时的美好时光，然而有一天回车键的塑料铰链断了。但因为斯蒂芬仍然能够把他的小指伸进按钮孔里激活这个键子，所以他继续享受着和这个虽然变丑了但却很聪明的玩具玩耍的乐趣。然而过了不久，E键坏了，紧接着是T键和O键。尽管他仍然使用这个玩具，但是不久键盘就变成了由丢失的字母和从吸尘器中找到再粘上的按键组成的迷宫。
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让我对这些损坏如此感兴趣的是英语中最频繁出现的字母和斯蒂芬的“说话与拼写”玩具劳损的按键彼此之间的密切联系。回车键第一个坏掉不足为奇，因为输入每个单词都要用到它，所以它的使用频率比其他任何字母键都要高。在7个最常见的字母中——按递减顺序，E，T，A，O，I，N，S，R——有5个（E，T，O，S和R）出现在首批坏掉的按键中。当我第一次在《技术评论》中记载这个偶然发现的有关疲劳现象的实验时，所有其他的字母键，除了P键和Y键这两个看似反常的损坏外，都完好无损。
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如果假设“说话与拼写”的所有按键都如制造程序所要求的那样被做得同样结实，可能如同把曲别针做成同一标准一样，甚至更一致，那么损坏的塑料按键一定是最被频繁使用的那些。常见英语单词中的字母出现率和损坏的按键之间的联系用事实证明了这种现象的确可能发生，而从反常地过度使用这个角度，那两个不应该损坏的按键也是可以解释得通的。因为我的儿子惯用右手，所以在猜单词拼法或者只是敲字母玩的时候，他可能会倾向于选择右侧的字母。由于最初损坏的字母键没有一个出现在“说话与拼写”最左侧的四纵行之中，因此这一癖好也就能够解释常用字母键A和N未受损伤的原因了。那个意外幸存下来的I键可能要归因于统计学上反常的抗力或者它未被一个合群的孩子充分使用（I“我”，合群的孩子不会总说我怎么怎么样，所以很少用I）。很少出现的P和Y这两个字母键的损坏可能表明了按键的统计弱势或者我儿子过度使用了它们。频繁拼写自己和他的猫的名字，Pollux，使他喜欢上了P这个字母，并且他很早就得知Y有时是一个元音。而且，每次一按Y键，“说话与拼写”就会问出孩子们最喜欢的问题——“为什么？”
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为什么玩具塑料按钮的疲劳会成为破坏我儿子最先进电子玩具的薄弱环节？——这正是理解工程设计的首要问题。为什么玩具的设计者们没有预料到这个明显的问题？为什么他们不使用比这款玩具的器件材料更为持久耐用的按键呢？为什么他们不解决疲劳问题，而使这个问题长时间制约着机械和结构设计的寿命？这样的问题和大桥坍塌或者飞机失事后被问及到的问题很像。不同的是大桥坍塌或者飞机失事会危及到数百人的生命，因此任何部分产生疲劳的可能性都可能会成为一个教训，而事故的受害者在这个教训中却学不到任何东西。尽管一个孩子玩具的损坏可能会让他伤心流泪，然而想到将来还会有碰到烧坏的灯泡或者损坏的鞋带的时候，这对那时的孩子来说是一个很好的经验。多年后，当他正在忙着为一个重要约会着装时，他的鞋带断了，这时他至少不会问“为什么？”
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在我写下这个刚建立的实验之后，我的儿子从我的书桌上拿回了他的“说话与拼写”，开始重新玩这个玩具，以此来继续这个实验。不久，另一个键子坏了，是左侧偏下位置的元音字母U键，它离斯蒂芬放大拇指的地方很近。下一个坏的是字母键A——另一个元音，并且是字母表中第三个频繁出现的字母。然而，实验就在此时结束了，因为斯蒂芬得到了一个拥有全新键盘设计的新款“说话与拼写”，这款机器是我的女儿凯伦在一家电子商店里指给我看的。这款新机型不再使用独立的铰链式塑料按钮，而是把键盘印在一整张囊括了所有按键的橡胶塑料上。斯蒂芬拥有的新款“说话与拼音”叫做E.T.，是以电影中那个小外星生物的名字命名的。我一直在观察那两个出现最频繁的字母周围的塑料薄板，想知道疲劳精灵是否会再次光顾。
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在我第一次写了关于我儿子“说话与拼写”的事情不久后，我从读者那里获悉他们的孩子也不得不忍受毁损的键盘。这正是这款玩具设计巧妙的一个体现——孩子们已经对玩具产生了依恋，这使他们容忍了损坏的按键并采取一些权宜之计进行了调整，就像在我们这个不甚完美的世界，他们在一生中不得不经历打击和失败一样。一些家长说他们的孩子显然发现了铅笔中橡皮的那端刚好能插入老款“说话与拼写”的按键孔中，因此，它们可以被用于输入那些最频繁使用的字母，而孩子们无需再使用他们的指尖了。我在想是否这个小窍门实际上是由喜欢玩这款玩具的家长们发现的，因为几乎任何孩子的手指都能很容易地伸进损坏的按钮留下的孔中，但是爸爸妈妈们却肯定不能。
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尽管这份智谋表明这款玩具虽然有缺陷，却仍然取得了商业上的成功，但是公司还是改善了键盘的设计以解决键盘疲劳问题。即使是最笨拙的成年使用者也能很容易地清洗和使用这个无钮键盘。在通过实际使用，发现并改正批量生产的商品身上的缺点这个方法上，“说话与拼写”键盘的演变不能说不是一个典型的例子，尽管未必是这样计划的。虽然付了大价钱的家长们对这个当时微电子学最先进的应用有些失望，但是，他们的孩子，在接近学习走路和说话的阶段，在还会不小心蹭破膝盖和口齿不清的时候，却可以从容应对损坏的按键。大概向市场上投放第一台会说话的计算机的兴奋使玩具的制造商忽视了设计中一些比较基础的方面，但是当按键损坏的问题引起了他们的注意时，制造商迅速采取了行动来改善这款玩具的机械缺陷。
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我记得当我儿子的“说话与拼音”失去第一个键子时，我十分生气。因为以我对工程学局限性的理解，以及在没有任何谴责的情况下我向邻居解释为什么诸如凯悦酒店行人高架路崩塌和DC-10客机设计缺陷引发的空难这样的事故，都使我无法对玩具的设计者表现出宽容。但是设计和产品的制造之间是有差距的，产品又有批量生产的和独一无二的之分，通常情况下批量生产的机械和电子产品在出售给消费者后都会经历一些调试和演变。但是像生产一个新版本的玩具或者开展一个手机回收运动这类行为对大的土木工程结构来说是不可能的，因此从建设的最初阶段开始就不能出现问题。因此，对于“说话与拼写”的设计者们我应该给予宽容，因为这些无心的过错可能是由机械、电子以及土木工程们师造成的。也许有人低估了孩子对这款新玩具产生厌倦所要花费的时间。毕竟，大多数的玩具在它们损坏以前就被收起来了。这款玩具比我在童年时拥有的任何一款都更为复杂，如果我拼错单词时它能告诉我，我可能永远不会行为正直，而会向它索取其他神奇的特性，比如不可破坏性。然而，我们并不奢望所有的东西都会具有这种性质。
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尽管当灯泡或者鞋带坏掉特别是如果它在一个非常不方便的时候坏掉时，我们都可能会很生气，但是即使我们中有人，也不会很多，会考虑把它拿回商店，宣称它出现了故障。我们都知道托马斯·爱迪生为电灯泡寻找适宜灯丝的故事，我们都意识到并且很感激这一技术成就。几乎凭直觉，我们知道，要做一个不会断的鞋带需要付出一些我们并没有准备好要接受的代价。这样的鞋带相对鞋的款式而言可能会是非常昂贵的成本，因此我们更愿意选择容忍鞋带在一个不合适宜的时候断掉或者选择承担小小的心理压力去预料鞋带会断的时间以便我们可以及时换掉它。我们生活在危险之中，除非极其挑剔，否则我们很少会注意正在磨损的鞋带或者对正在老化的电灯泡做预防性维修。尽管它们坏了的时侯，我们也许仍然会问“为什么？”，但我们已经知道并且接受了答案。
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但是，随着事故的后果变得越来越严重，事先对设计给予充分考虑越来越成为一件至关重要的大事。汽车是成批生产的，但这一点并不会使它像家里的电灯泡或者鞋带那样啪地一下坏在高速公路上。汽车会出现的故障必须尽可能地被想到，这样，某一故障才无法引起一场本可以避免的致命事故。因为轮胎很容易爆，所以当这种情况发生时，我们想要车能够被安全地开到路边。这种与电灯泡和鞋带损坏方式相同的故障是可以被接受的，我们带一个备用胎就可以处理了。但是其他种类的事故就不那么容易被接受了。我们不希望四个轮胎上的制动器和紧急刹车系统突然同时出现故障。我们也不希望当我们正在穿越蛇形山道时方向盘掉在我们的手中。汽车的某些部件是被特殊关注的，在为数不多的由于这些部件失灵而引发灾难的事例中，都产生了大量的诉讼。当汽车制造商意识到某一潜在的隐患时，他们不得不通过我们熟悉的大规模召回运动来消除可能由设计问题引发事故的可能性，即使这种可能性微乎其微。
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人会犯错，同样，人也想避免错误。认为任何可能出错的事终将出错的墨菲定理，不是一条自然定律而只是一则玩笑。所有直到我们厌倦了电灯却还继续存在着的电灯泡，所有比它们的鞋更耐用的鞋带，所有无故障直到被折价换新的汽车都在墨菲面前笑到了最后。就像他不会比他的定律活得更长，同样也没有制造出来的东西能够或者被期望永远存在。一旦我们认清了这个简单的事实，那么一台机器或者一栋建筑能够基本达到它的创造者为其设计的使用年限的这种可能性不仅是工程师们的一个现实目标，也是消费者的合理期望。只有当我们为自己树立诸如买一双永远不会损坏的鞋带、发明一台永动机或者制造一台永远不会坏的汽车这类不切实际的目标时，我们才会看上去像个傻瓜或者神志不清的人。
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奥利弗·温德尔·霍姆斯的幽默和诗歌比他题为《论产褥热的接触性传染》的研究更加广为人知，这项研究是他在哈佛医学院作解剖学与生理学教授时开展的。然而可能是他对人类身体各种不同器官看似各自独立运作这一现象的理解，帮助他把他在生理学上的实践转化为结构和机械工程师们的一课。尽管我们有的人是膝盖中的关节先受损，有人是脊椎关节先受损，但是没有人因为所有的关节一次受损而散架了。因此霍姆斯勾画出那些期望设计一款没有最弱一节的四轮马车的人的愚蠢可笑。
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霍姆斯打算用这首诗（本书34页，叫《执事的杰作》或《奇妙的“单马车”》）攻击加尔文主义，并在诗中使用了喻体“单马车”来说明，一套无论看上去多么完美的逻辑体系，如果前提是错的，就一定会瓦解。对工程师们来说，这首诗也被公认为是很好的一课。事实上，微测部门，一个总部设在北卡罗来纳州的纳罗利，提供设备测量机械工程和结构的供应商，认为《执事的杰作》这首诗非常切合它的业务，因此把这首诗中切合其形象的部分用在了新闻稿件之中。公司在广告词中承认，尽管“……霍姆斯在写一辆零部件中没有‘最弱一环’的交通工具时对现代技术一无所知，”但是他确实认识到尝试获得“完美的工程技艺”是荒谬的。
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在霍姆斯的这首诗中，执事决定要制造一辆不会毁坏的单座轻便马车，这辆马车的每一个部件都和其余部件具有相同的强度，这样它就不会坏掉。然而，执事却没有考虑到所有的东西都有寿命这个问题，如果这种“每一个部件都和其余部件具有相同强度”的马车真的能被制造出来，那么每个部件都会在同一时间“损坏”，无论谁在执事过世后从他那儿继承了这辆马车，都会在某一天大吃一惊。《执事的杰作》这部作品之所以令人感兴趣在于作者认为损坏是一个部件即最弱一环的损坏，所有的部件都有完全相同的寿命在技术上是不现实的。这一前提和现实是相冲突的，我们只是能知道这个或那个部件会大约持续存在这些或那些年，就像我们只能陈述可能性，比如一个曲别针在被弯折了这么多次后会断掉。一个部件，一台机器或者一个结构体的确切寿命只能在它损坏后才会被得知。
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就像我们期望知道我们自己的局限一样，我们也应该了解非生物世界的局限。斯芬克斯的谜语提醒我们，在学会行走之前，我们必须爬行，并且我们不会永远地走下去，甚至在斯芬克斯土地上的金字塔也早已被风沙侵蚀。在地质年代表上，地球上没有什么是不会损坏的，我们创造的任何东西都不会以最佳状态永远存在着。铁会被腐蚀，钻石可以被切割,甚至核废料也有半衰期。
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工程学处理寿命问题，既包括人的，也包括其他事物的。如果不是疲劳或者断裂，就是腐蚀或者氧化；如果不是战争或者蓄意破坏，就是由于曾经新颖的机器外观已经不再被人欣赏。有些机器的寿命是根据工程结构的预定用途设定的。像这样一个用来从海底岩石中提取石油的近海石油平台，使用寿命大概只有10年或20年。当一座桥的修建工作即将完成时，工程师们必须对这座桥的使用寿命有个清楚地认识，以便指定检查、维修和替换一些主要部件的时间，然而这却并不像说起来那么容易。建筑物有时是为了表达时尚产业的突发奇想，因此今天很现代的摩天大楼在50年以后可能难以出租。而另一方面，纪念性建筑，比如博物馆和政府大楼，应该体现出一种永久感，使工程师想到数百年。一座大教堂，一千年。
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一个结构体的寿命不仅仅是一个拟人的暗喻，一件工程必须存在多久可能是设计过程中要被考虑的最重要的事情之一。我们已经知道一个儿童玩具时常断断续续的动作或者一个轻巧的电灯泡是如何造成了不可弥补的损失的，大型工程结构也同样如此。海浪对一个近海石油平台无休止的作用力使它的焊接节点受到了来回反复的冲击，这与导致曲别针或塑料发生折断的力是完全相同的。桥在重压下的震动和摩天大楼在风中的摇摆也能引起内部裂缝的增加或钢缆和混凝土梁强度的锐减，因此对现代工程师来说，最重要的计算之一就是预测出裂缝或者单纯的材料锈蚀开始威胁结构体使用年限的时间。然而有时经验比计算让我们明白更多。