達文西的設計是讓帆船可以輕鬆地通過橋的下方，由於這個想法太超越時代，當時被放棄。而今500年過去了，麻省理工學院的研究人員終於驗證了達文西的設計。
500多年前，達文西曾設計過一座當時最長跨度、十倍於普遍橋長的橋樑，而且，其中間完全不用橋墩支撐。這在當時是超前於時代的設計，也因此只停留在設計圖上，沒有人從工程實用性角度對其驗證。
直到不久前，麻省理工學院的建築師和土木工程師一起，對這座紙上橋樑進行了仿真驗證。他們確認這個500多年前的橋樑設計是一個古老的工程奇蹟，它不僅能起到實際作用，而且還在五個世紀前就已經徹底改變了橋樑的設計思路。
這項研究結果已於近日在巴塞隆拿舉行的國際薄殼與空間結構協會（IASS）的會議上發表，在11月13日 PBS節目將播出的 NOVA（全球最好的科學紀錄片節目之一）那集中也會介紹這項研究。該研究由剛剛畢業的工學碩士 Karly Bast與建築學、土木與環境工程學教授 John Ochsendorf，以及另一名本科生 Michelle Xie共同完成。
今年恰好是達文西逝世五百年（他生於1452年4月15日，猝於1519年5月2日），麻省理工學院的這項研究，也是對達文西的紀念。
生而知之者？
關於這座橋的故事發生在公元1502年，奧斯曼帝國的蘇丹——巴耶塞特二世計劃在博斯普魯斯海峽南口西岸的金角灣（Golden Horn）建造一座橋樑，以便能將伊斯坦布爾與其鄰國加拉塔（Galata）連接起來。當時在藝術和科學界已經頗有名氣的達文西，也提交了一份設計。
達文西在給蘇丹的一封信中，附帶了一本畫滿設計草圖的筆記本，這些設計草圖描述了一座中間完全沒有橋墩的橋樑。該橋樑計劃使用一個扁平的拱形設計跨越海峽兩岸，整體均由兩岸的基礎結構來支撐。而在當時，橋樑設計通常使用一系列的半圓形拱門建造，如果要用橋將兩個城市連接起來，那麼兩岸之間至少需要10個間隔均勻的橋墩來支撐整個結構。
但達文西的設計是讓帆船可以輕鬆地通過橋的下方，由於這個想法太超越時代，巴耶塞特二世最終並不想冒險，放棄了達文西的設計方案。
而今500年過去了，麻省理工學院的研究人員終於驗證了達文西的設計。
在達文西的草稿上，並沒有指定建造橋樑所需要使用的材料和建造方式。但是，麻省理工學院的研究人員考慮當時的社會環境，得出的結論是那個年代唯一能夠提供足夠強度的材料是石頭；同時，根據達文西提出該設計的時間點被普遍採用的建築技術，這座橋極可能是要依靠重力來把所有材料都「綁」在一起來完成建造。
研究人員為了驗證他們的假設，創建了一個1:500比例的仿製品，長約0.8米，其126個形狀和尺寸各異的塊狀組件均由3D打印機創建而成。當然，如果實際上建造一座真正的橋樑，那麼將需要成千上萬塊精確鑿刻的石塊進行組裝。但麻省理工學院的研究團隊為複製品採用的方法，仍然允許他們正確地測試其設計的可行性。
經過驗證，他們發現應用該設計的橋樑不僅可以保持堅固與穩定，而且無需使用任何混凝土或者緊固件。
除此之外，他們還意識到，達文西甚至設計出了一種可以減少結構中有害的橫向運動（會導致橋樑崩塌）的方法。
他在拱橋兩邊的立腳處採用了向外張開的設計，這樣可以極大程度地增加穩定性。
研究人員將該橋樑仿製品放在了兩個可移動的平台上，進一步發現這座橋甚至可以倖免於當時在伊斯坦布爾地區常見的大多數地震。或許這並不能說達文西的設計是堅不可摧的，但如果建成，那一定會是一個古老的建築奇蹟。至於提出該設計的達文西，如果不是穿越，可能也只能用「生而知之者」來形容了。
圖|達文西的設計手稿與 MIT的仿製模型結構（來源：MIT）
該研究的主要負責人、工學碩士 Bast說：「這座橋大約有280米長，當然達文西本人使用的是不同的測量系統，因為公制距離他的年代還有幾個世紀之遙。如果建成的話，它會是當時世界上最長的跨度。
最令人難以置信的是，這座橋比當時的普遍橋樑長約十倍。
藝術與工程的交相輝映
其實來自麻省理工學院的這次實驗，並不是第一次以物理形式來複製達文西的這個橋樑設計方案。1996年，當代的挪威藝術家韋比約恩·桑德（Vebj rn Sand）在一次達文西工程設計畫稿的展覽中被該橋樑的手稿所吸引，在他返回奧斯陸後，就提議由挪威的公共道路承擔起該項目的建設。
最終在2001年，於挪威 s小鎮附近的連接奧斯陸和斯德哥爾摩的 E-18高速公路上，建造了一座根據達文西最初設計的小型人行天橋。
將達文西的基本設計轉化為現實中這座人行天橋的是建築師塞爾伯格（Selberg），但這座橋並不能看作是對達文西設計理念落實的一個樣本。雖然，該人行橋的形狀是嚴格地按照達文西的草圖線條設計的——大橋兩邊下陷，拱形優美，主拱負載垂直壓力，兩側斜拱確保穩定性，但建造材料採用的是一種新型結構的木質膠板，並且使用了鋼筋、混凝土等現代建材。
因此，這座人行橋更多的是在藝術性上展現了達文西的草稿，並沒有提供工程實用性角度的驗證。
圖|位於挪威的參考達文西草稿而建造的人行天橋（來源：Pixababy）
「之前相關的橋樑並不能檢驗達文西的設計是否可以和他那個年代的技術相兼容。而依靠重力支撐的砌體結構性質，並遵從準確比例而構建的模型是可以滿足這樣的測試的。雖然3D打印所用材料是那個年代所沒有的，但已經完全考慮並參照了當時石料可以提供的各種力學性能等因素。」Bast說。
根據研究團隊的實驗，Bast表示仿製品橋樑的所有組件都是通過互相擠壓而結合在一起的。
這是因為他們要儘可能證明力已經在結構內部傳遞了，而這正是確保達文西設計的橋樑牢固而不傾倒的關鍵因素。
與實際的砌體拱橋結構一樣，仿製橋的「石料」在組裝時由腳手架結構來支撐，只有在全部安裝完成後才能將腳手架拆除以允許結構自行支撐。
「當我們把最後一塊（拱形結構最頂部的梯形）放到橋樑結構中時，我們不得不將其壓入。那是我們第一次將橋的所有部件放在一起的關鍵時刻。」Bast回憶道，「我對它能否奏效感到很懷疑，但最後當我放入最後一塊時，我頓時覺得可以的。然後，我們把腳手架拆了，它站起來了！」
她表示，這是「幾何的神奇力量」，達文西的設計草稿提出了一個很強的概念，這一定是經過深思熟慮才可以完成的。「這個草圖是達文西徒手繪製的，這是他隨手就畫出來的，還是他坐下來慢慢思索而畫的？這些很難從現有的歷史資料中得知。」Bast說，「但通過我們的實驗證明了達文西設計的有效性，而且全面細緻地考慮到了多方面問題，表明在那個年代他已經深入理解了物理世界是如何工作的。」
不僅如此，在地質學角度，達文西還考慮到了該地區容易發生地震，並結合了諸如擴展橋兩側基礎結構等設計提供額外的穩定性。
為了測試這座橋樑結構的抗震性，Bast和 Xie在兩個可移動的平台上固定好橋樑仿製品。然後將兩個平台分別移動，來模擬由於土壤薄弱而引起的地基運動。最終，橋樑仿製品體現出對水平運動良好的回彈性，只有輕微的變形，一直到被拉伸至完全坍塌為止。
圖|列奧納多·迪·瑟皮耶羅·達文西畫像（來源：the University of Sheffield）
這項對古老橋樑設計的仿真驗證，再次證明了達文西的神奇。達文西全名為列奧納多·迪·瑟皮耶羅·達文西（Leonardo di ser Piero da Vinci），他是人類歷史上絕無僅有的全才。
達文西學識淵博、思想深邃，是一名畫家、天文學家、發明家、建築工程師。此外，他還擅長雕刻和音樂，通曉數學、物理、生物、天文、地質等學科，其科研成果保存在手稿中的內容大約有6000頁。愛因斯坦曾表示，如果達文西的科研成果在當時全部發表，可以讓人類科技提前30~50年。谷歌曾掃描了三千萬本書之後做了一次詞頻統計，來比較「達文西」「米開朗基羅」和「牛頓」，其實這並不公平，因為達文西更多被叫做「Leonardo」而不是「da Vinci」；但即便如此，達文西的出現頻率還是完勝另外兩位巨匠。
回到這項研究，「雖然這種設計對於現代的橋樑設計師來說，並沒有什麼實際意義。因為如今可使用的建築材料和方法為輕便且堅固的設計提供了更多的選擇。」Bast說，「但達文西設計的可行性，證明了僅僅使用文藝復興初期的材料和方法就可以完成那些偉大的建築項目。同時也再次突顯了，作為世界上最多產的發明家之一——列奧納多·達文西的才華。」
更為重要的，或許這也證明了人類的最佳創意並不一定需要更新穎的技術作為支撐。
