词条 | 机动外骨架 |
释义 | 所谓的机动外骨架,是相对于人体的骨骼而言;这种机械没有自主运动的能力,一举一动均为人所操纵。在动画中最为著名的外骨架自然是机动战士与机动警察了。 动力总述在所有科幻片中出现的外骨架和机械人,都是运动迅速又力大无穷的,但是只要略加观察今日的机器手臂,便可知其“力量/重量比”远低于人类的手臂;比方说:一只5公斤重的人手可提起10公斤重的物体,而5公斤重的机械臂绝提不起1公斤重的物体。其理何在? 人手的主要结构包括骨骼、肌肉,肌肉是动力来源;机械臂则是外壳、传动系统、结构骨架及视自由度而定的数个马达,其中只有马达能提供动力(尚不包括提供能源的单元)。光从这种对比即可知机械臂「先天不良」。再者,人体遍布肌肉,在大、小脑的协调下能使身躯适度变形,活用槓杆、滑轮等基本物理原理,然而这对 工程师而言却是复杂到迹近于不可能的动作。同时,肌肉刚性不及金属机械材料,但韧性、强度均胜之,因此同质量的钢丝与肌肉相比,以后者较能承受拉伸、冲击 等应力,换句话说:较能吃力。 那么机械臂有何优点呢?首先是能重复、精确地做同一工作,且几乎不受繁重工作影响而像人一样会疲劳。 这么说来,机动外骨架永不可能像机动战士、警察般力大招精啰?其实倒也不见得!目前有两种科技可能可使机械的“力/重”比提升至人体的水准。 1.人工肌肉:利用电或化学法驱动合成材料舒张或收缩(如聚AMPS与电流),原理与肌肉大同小异。但难题是人工肌肉不可避免地要浸在液体中。不管用电或化学方法都很难迅速改变其状况,换句话说就是它的反应快不到哪里去。此外,别梦想人工肌肉会有电动或油、气压驱动法的精确度了,甚至它可能会疲劳!这就是所谓有 得就有失,天下没有白吃的午餐(或两全其美的事)! 2.形状记忆合金:今日正日益走红的形状记忆合金,是用温度控制使特制合金变形至特定形态。明白地说就是在T1度将它塑成A形,降至T2度时它会变成B形, 但再升至T1度时该合金会变回A形。而难题则是:温度是机械工程最难精确掌握的变数了。且今日的记忆合金仅限於记忆挠曲度,要做其它花样可就难了,尤以肌肉的唯一动作“伸缩”为然,因该动作牵涉密度的变化,要金属大幅改变密度又是难上加难,不如另辟蹊径。 在以上的两动力机构中,前者在《装甲骑兵》之中似有一席之地,前者伸缩、後者扭转,各有所长也各有所短。在应用上困难重重。 3.压电材料:这是一种颇奇妙的材料,当它受到电压刺激时会缩短,反之亦然(受压力会放电),若研发成熟,有可能在半世纪内淘汰电动马达与油气压传动系统,成为高功率/重量比的动力来源。 此外,受磁场影响而变化长短(原子作用力改变)的磁致伸缩材料是更有潜力的明日之星,有些种类伸长量低,却能大幅改变杨氏系数(类似弹簧常数),使得其结构特性可作多方面利用。 能源机动战士的能源来自搭载的小型核融合炉,机动警察则是电池,人体呢?根据热力方法的计算,人体若是以热机方式产生能量,我们所需的能量可得使身体烧起来才办得到(热机温度愈高、压力愈大效率愈高),故应是类似燃料电池的方式。 核融合炉属外燃式的原动力厂,所有原动力厂都有同一缺点:启动及停机缓慢、增 减输出的反应速度比不上内燃机。在这一点上,燃料电池或许不比它好多少,但燃料电池的效率却远高於任何热机。 或许有些读者不太明白何谓燃料电池。燃料,是用来烧的,燃料的化学能被烧 成热能加热工作介质(如发电厂的水蒸气、内燃机的空气)变成动能机械能,而机械能藉由涡轮或活塞转成电能(在车船飞机上多数仍转成机械能)。这种 过程在理论上能达到的效率就颇低,而一般火力电厂采用蓝肯循环 (Rankine cycle) ,只有 11~13% 热能被转成电能。 但燃料电池不同,燃料与氧化物(氧气或其它)溶入液体,在触媒的协助下化合(氧化,和缓的燃烧之意),化学能直接变成电能,理论效率高达40%,实际应用也在30%以上。氢气、甲烷(天然气)等凡能溶于液体的燃料都能作为燃料电池。号称第四代能源,清洁、高效率、安静是其无可比拟的优点,弹性也远较巨型电厂来得大。 控制系统驾驶座舱为传统定义的人机介面的范例1。 人一只手有20个自由度,以今日的机械臂驱动法而言,这就代表必须有20个马达,其操控程式的复杂程度会逼疯工程师,而要操纵者——指挥更是痴人说梦。( 想想你可以数出多少个必要的动作,而每个动作使用了多少自由度即可明白。)也因此,要操纵人形机械人像人一样灵活,有两种方法: 1. 制作许多副程式,每个负责一种动作,而由操纵者或电脑选择动作。关于前者,我想阿姆罗阿宝在和夏亚马沙激斗时,不会有空去按钮叫钢弹高达握拳。似乎机动战士的驾驶员只管武器选择,机体移动方位、方式、动作方面一应交给电脑自行判断了,这可得今日的超级电脑更上几层楼或第五代电脑开发成熟,才办得到。 2. 机动警察的电脑具学习功能,也就是记取每次运动、打斗的经验,使下次面临同一状况时能更迅速、圆滑地执行驾驶员的指令。因此机动警察必须由固定驾驶员操控才能发挥性能。 最有效,也是最不人道的操纵法,首推《超时空骑团》里的机器蛙了,那是仿照人体结构制造的机动外骨架,驾驶员的神经末梢被接上电极,他的脊椎,大脑、小脑发出的指令全部完整地反应到机械上,也就是当他大脑命令右手握拳,神经也忠实地传达到手部了,只是肌肉没收到讯息,讯息被吃掉了。这种方式只有一个缺点:在太空中机器蛙不使用承载火箭无法运动(谁背上长了个火箭?),且对驾驶员的神经系统很不好,另外,机器蛙也不可能像机动战士一样有机炮、粒子炮等固定武装。但可行性远高於前二者。 所谓的人机介面,泛指一切介于操作者与目标机械间的辅助硬体。小至斧头的柄,大至战斗机的驾驶舱,有时特指协助操作者操控整具机械的软、硬体。 MS 和 LABOR 均有有限度自我判断运动的功能,而构成这种功能的程式 ,便是一种非常了不起的人机介面,至于可行度如何,笔者认为至少得再等廿年资 讯工程界才可能发展出略具雏形的此类实用化电脑与软体。而程式自主性愈高,操作员愈省力,例如《泡泡糖危机》中骑士军刀们使用的机动外骨架,可作Mote slave / Moto Roid 的变形,前者为她们装甲服(Hard suit,已是外骨架)的再延伸 ,而后者则是具备有限度自我判断运动能力的机械人,不需由操作者一一指挥。当 这种人机介面发展到极致,就不再是人机介面了,操作者已无必要,这时它可泛称为人造人、生化人、电子人等等。关于这点,将留待以後再讨论。 相关内容《泡泡糖危机》里西莉亚等人使用的二次装甲服 (Moto Slave),可变形为有限度自主判断机械人Moto Roid)。 《五星物语》的Fatima 仍保留人机介面的定义:她们是协助骑士们驾驶 MH 的。而ETRRM(非人型Fatima)则是不折不扣、完美的人机介面,因为它相当于机体的一部份,就像小脑掌理身体协调般使机体协调执行驾驶员(大脑)的命令。 除此之外,另一有同等效果的人机介面是人类脑波判读设备,这个的难题於如何从脑波波形中判读驾驶员的思想,尤其是反射动作完全不经大脑。自然无法读取其讯号。因此尚在概念阶段。 |
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