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周末科普 | 机器人的前世今生(一):古代机器人

2018-07-01  笃者_课代...

古代机器人



机器人(robots)这一名词源自于1921年捷克作家Karel Capek的剧本《罗梭的万能机器人(Rossum’s Universal Robots)》。该剧中,机器人是指那些在工厂中制造的机械人造人,相较于现在的机器人,这些“生物”应当更确切的描述为“赛博格”或人造人,因为他们外表与人类相仿,而且拥有自己的想法。这些机器人在觉醒后发现了人类的自私和贪婪,最终奋起反抗压迫导致人类被毁灭。


尽管译作机器“人”,实际上Robot的词源来自于捷克语“Robota”,有奴隶之意。简言之,广义的机器人可以理解为那些为人类服务(被人类奴役)的自动机器,一般指能自动执行任务的人造机械。


在1921年,机器人这一词汇才第一次进入历史舞台,然而在这之前,人类对于自动机器的探索却可追溯至上古时期。


人类最早记载的自动机械可见于西晋时期崔豹撰写的《古今注》中记载的指南车,又称司南车。相传指南车,由轩辕黄帝或周公所发明。在《西京杂记》记载有:“司南车,驾四,中道”,公元235年,三国时魏国马钧制造指南车,使用差动齿轮装置驱动车上方指示方向的小人。该装置并未使用磁极,是完全由机械驱动的自动机器。


东汉时期的张衡、三国时期的诸葛亮和马钧、南北朝时期的祖冲之、北宋时期的苏颂也都各自建造了一些我国历史上令人叹为观止的自动机械装置。这些装置反映了我国古代先贤的杰出智慧,也体现出自古以来人民对于使用自动机械来解放生产的思索和努力。


世界上其他文明对于机器人的记载可追溯到荷马史诗《伊利亚特》,其中火神赫淮斯托斯创造了一组木偶金人作为他的助手。而可以考证的最早的自动机械装置则可以追溯至公元前16世纪的古巴比伦和古埃及的漏壶。漏壶是一种机械计时工具,亦称为水钟,是一种让水流出容器通过容器中剩余水量判断时间的容器。而希腊人和罗马人为漏壶加入了传动和擒纵装置,一定程度上提升了其精度。


公元前400年,柏拉图的朋友数学力学之父阿尔库塔斯设计出第一台类似鸽子的能够飞翔的木质机器。公元前2世纪,古希腊人发明了最原始的自动机(Automaton),以水、空气和蒸汽压力为动力的可以动的雕像。后来,自动机在18世纪到19世纪发展为以发条装置作为动力来源所运作的机器。


8世纪到17世纪的时间,欧洲迎来了中世纪和文艺复兴时期,加扎利发明了分段齿轮,发明了许多由水驱动的自动机器,包括自动孔雀、可以续杯的侍女服务员等。加扎利的手稿也一定程度上影响了达芬奇的,后者将自己对人体解剖学的研究应用到人形机器上,他所发明的机械骑士,由一系列滑轮和齿轮驱动,能够转动其胳膊和头部,还能坐下和站立。14世纪的欧洲,机械钟表,钟表业开始兴起,各种观赏钟表吸引各方贵族争相收藏。15世纪,德国纽伦堡的恒莱茵发明了世界上第一台便携式计时器,同事发明了钟表的发条结构。钟表业的发展日后驱动了自动机器的发展。


进入17世纪,灵巧的钟表匠发挥技艺制作了一个个精美的自动机器。1662年,竹田近江将钟表技术应用于自动机器偶人的制作,采用鲸鱼胡须和木制齿轮制作“竹田式自动装置”。流传下来的文物包括“端茶玩偶”,即一个装有轮子的木偶,双手捧一茶盘,将茶杯放在茶盘上,木偶就会向前行进,当客人取茶杯后会自动停止。



18世纪至19世纪中叶,欧洲爆发第一次工业革命,开创了以机器代替手工劳动的时代,又称机器时代。工业革命发源于18世纪的英国,随着英国人瓦特改良蒸汽机,一系列技术引发手工劳动向机器生产发生转变,进而扩散到欧洲大陆,并随后传播到美洲和亚洲。1738年,法国钟表匠鲍康逊制造出齿轮传动的机械鸭子,可以完成振翅、鸣叫、啄米等动作。


1770年,匈牙利发明家沃尔夫冈-冯-肯佩伦创作了“土耳其行棋傀儡”,为取悦玛丽娅·特蕾西娅女大公而建造并展出。该机器可以击败人类棋手,也可以执行“骑士巡逻”。1854年,该机器人开始巡回演出,直到当时人们才发觉原来精密的机器中竟然藏着象棋高手。


1768-1774年间,皮埃尔-亚奎特-德罗兹父子制造了3台可以动的玩偶机器人,用于推进他的钟表生意。这套自动机械玩偶包括“TheWriter”、“The Musician”和“The Draughtsman”,分别由6000、2500和2000个元件组成。其中的“The Writer”是一个三岁男孩样貌的机器人,由发条驱动,当上紧发条后,它会用鹅毛笔蘸一下墨水,然后在白纸上写上预定的语句。为了使机器人可以创作不同的词句,德罗兹制作了40个只读的凸盘,这可视为可编程机器人的雏形。


1801年,法国发明家约瑟夫-玛丽-雅卡尔设计出首台可编程织布机,极大提升了纺织效率。为了控制织布机上的编织图样,雅卡尔开发了一套打洞卡片系统。这套系统未来激发了IBM创建者使用打洞卡来记录数据和计算机编程。


1822年,英国数学家、发明家查尔斯-巴贝奇提出了差分机和分析机的设计概念,并制作了部分样机。他的想法在于利用机器将从计算到印刷的过程自动化,从而避免人为疏忽。他所提出的机器利用多项式N次阶差的特性,通过齿轮运转带动十进制的加减法。由于工艺复杂,大量精密仪器制造困难,当时只能做出完成品的很少部分。


1945年,奥地利发明家约瑟夫-费博在费城和伦敦相机展出他发明的“歌雀”机器人。该机器人是一个会说话的机器,由数个不同的机械装置和乐器组成,包括钢琴、波纹管和机械仿生喉管作为发声器。该机器将人形面孔和键盘相连,面部嘴唇、下巴和舌头可以控制,通过调节鼻子上的螺丝调整音调和口音。


19世纪末期,西方主要国家基本完成工业革命,科学技术迎来爆发期。美国发明家尼古拉-特斯拉发明了无线电,并于1898年设计并展示了无线电遥控船模型。这种机器人遥控技术直到几十年后才得到普及。


1927年,美国工程师温兹利制造了第一个机器人电报箱。该机器人装有无线电发报机,可以回答一些问题。


1929年,日本生物学家西村真琴制造了“学天则”机器人。该机器人是一个可以写字并改变表情的机器人,高约3米,右手执笔,左手持灯,脸部由橡胶制成,眼镜、脸颊、嘴角、脖子、手腕均可活动。其大幅动作由压缩空气和橡胶管驱动。




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