国人当自强 | 中国古代的“机器人梦”,带你看看祖先们的机械智慧

今天,机器人可以被设计、制作,为人类服务。而在中国,古代人早就有“机器人梦”,梦想着能制作一种形态像人的物件来代替人类劳动。为这个梦想,中国人制作出了能够自己活动的机械装置,可以被视为现代机器人的鼻祖。

春秋后期,鲁班曾经制造过一只能在空中自由飞行的木鸟,“三日不下”。三国时期的蜀汉,为了运送粮食,著名军事家诸葛亮发明了木制的带有晃动货箱的人力步行式运输器具——木牛流马,虽然其样貌不明,却被称为最早的陆地军用机器人。

虽然这都是些简易的装置,可是它们也都有着自己的动力来源。据史料记载,今天可知的我国古代机器人的动力来源主要有弹力和水力。如《维西见闻纪》和《焦氏说楛》中记载的自动弹出的箭就是利用了弓箭的弹力。而北宋年间苏颂等人设计制造的水运仪象台则是用水力作为动力的很好的代表。它将浑仪、浑象和报时器集于一身,分为三层,上层是一台浑仪,中层是浑象,下层是报时系统。报时系统中的一层木阁中有三扇小门,每扇门中各有一个报时的小木偶机器人,每到一个固定的时刻就会有小人表演击鼓摇铃敲钟等动作报时。其制作之精美,工艺之精细,设计之巧妙,不得不让人称叹,并且被考古学家王振铎先生成功复原。

下面,小编带你一起看看我们的先辈在机械与机器上的智慧。

杠杆

杠杆是最简单的机械,当原始人拾起一根棍棒企图撬动一块石头时,实际上就已在使用杠杆。旧石器、新石器时代的石质工具如石斧、骨质工具如骨耜,其上都凿有孔,以便安装木柄,表明当时已是有意识地使用杠杆。

古代人在杠杆类器物中最重要的发明是衡器或秤。中国古代衡器称为权衡、秤。一种是等臂的,一种是不等臂的。《汉书·律历志》:「权与物钧而生衡」。「权」又名秤锤,它如果与所需衡量的物品重量相同,等臂秤就会平而不斜。《史记·仲夷弟子列传》:「千钧之重,加铢两而移」,「移」字表示在秤杆上终移动权的位置。从这些文字记载看来,最迟在春秋时期已有各种类型的衡器。

可变换支点的秤(在同一秤杆上有二至三个提绳),是古代人在衡器上的重大发明之一。南朝宋时张僧繇所绘的《二十八宿神像图》中,就有一人手执一根有三个支点的秤。唐宋时期,民间出现一种铢秤,它有两个支点即两根提绳,可以不须置换秤杆,就可秤量不同重量的物体。这表明了古代中国人在实际上已完全掌握了杠杆原理。

南朝张僧繇所绘的《二十八宿神像图》(局部),图中可见其人手执有三个支点的秤。

画像砖显示杠杆原理在古代中国的应用

桔槔

桔槔是古代的一种取水工具,实际上就是杠杆之一。明代罗颀所编的《物源》一书说「伊尹始作桔槔」。伊尹是商汤的贤臣,也就是说,它产生于约公元前1700年。其实将一根粗木杆支架于立柱上就可以造成简单的桔槔。春秋时期,桔槔被普遍用作农田灌溉机械,战国时,墨翟将它改装成挖凿机械,方法大概是将桔槔长臂端装上工具,利用冲击力将坚土凿松,这是他发明的最古老的冲击式凿掘机械。

桔槔的运用在后来日益广泛。古代抛石机上的炮杆、攻城用的木慢车等,都是杠杆原理的应用。其他应用了杠杆原理的许多古代器具,最简单的如剪刀;稍复杂的如弩机上的拨动机件,即扳机;较沉重的如脚踏碓。脚踏碓、水碓和槽碓上的主件即碓杆,实际上它是一根架于支撑点上的长木,以短臂为用力端,而长臂为作业端。而雨伞中的可折叠撑杆,则是更轻巧的滑动杠杆了。

《天工开物》中的「桔槔」图

汉代汲水庖厨画像石中所见的桔槔

《农书》中的「槽碓」图

《农书》中的「踏碓」图

滑车

西方人称为「滑轮」的东西,古代中国人称为「滑车」,滑车的含义,除了主要部件滑轮外,还包括安装滑轮的构架、绳索或皮带。在使用上,应用一个定滑轮,可以改变力的方向;应用适当配合的一组滑轮,则可以省却气力。

中国最迟从战国时代开始,滑车已经在作战机械、井中提水等实际作业中被广泛使用,墨翟在其《墨经》中将其称为「绳制」,并讨论了它的力学原理。以绘画形式表现滑车的,大约起于汉代,可能是从汉代起,滑车在工程技术中普遍应用的反映。在山东武梁祠汉代的画像石中,便描绘了人们通过使用滑轮以打捞铁鼎的「泗水取鼎」故事。在明代的科学名著《天工开物》中,也可以看到高耸的盐井架上,安装了定滑轮的场面。

《天工开物》中的安装盐井架图。图中可见一人手持杠杆,一人拉绳索,共同撬移和调整井架的架基,井架顶部并安装有滑轮。

山东武梁祠汉代「泗水取鼎」画像石摹本,图中可见装有滑轮。

辘轳

辘轳是滑车的另一种形式,它的主要部件是一根短圆木,上绕绳索,圆木可环绕其固定轴而转动。明代罗颀所编的《物源》载:「史佚始作辘轳」,「史佚」为周初史官,故辘轳可能起源于商末周初。春秋时期,曾在一种军用巢车或八轮车上装有辘轳,以便将巢车举起,车内人即可居高望敌城。自战国到汉代,辘轳常被人用作入葬下棺的机械。

但辘轳的最广泛用途,无疑是用于从井中提水。将吊水桶系在辘轳上的绳子两端,将两股绳逆顺交转于辘轳上,便能发挥功用。这样的辘轳称为双辘轳。王祯所著《农书》指出:辘轳「或用双绠而逆顺交转所悬之器,虚者下,盈者上,更相上下,次第不辍,见功甚速」。可见,双辘轳的发明不会迟于《农书》一书完稿的1313年。

古代人亦曾将辘轳、滑轮与架空索道联合应用,将山下的流水引到山上,在机械工程上,也是很有意义的创造。

《天工开物》中的「辘轳」图

唐代高僧玄奘故里中,以轱辘打井水的设备仍然保存完好。

绞车

绞车是与滑车、辘轳相似的另一种机械,它在古代也被普遍应用。

绞车可能起源于西晋。《晋书》载十六国后赵王石虎令人盗邯郸赵简王墓,因墓穴有水,故作「绞车,以牛皮囊汲之」。而从唐代开始的各种军事著作中,对它都有详细描述,成为军用必备器械之一。曾公亮在《武经总要》中描述「绞车,合大木为床,前建二叉手柱,上为绞车,下施四轮,皆极壮大,力可挽二千斤。」

有趣的是,古代人在钓鱼竿上安装的卷线轮,实则也是一种绞车。明代王圻所编的《三才图会》一书中载有钓鱼图及钓鳖图,图中的钓竿上均装有卷线轮。这种卷线轮起始的年代不详,但肯定是明代以前的发明。

在辘轳的基础上,古代人还创制了另一种绞车,将一根圆轴削成同心而不同径的两部份,在其上绕以绳索,绳下加一滑轮,只须转动其轴即可将重物吊起,这种绞车又称较差式绞车,或称「中国式绞车」,但其起源年代不详。

《武经总要》「绞车」图

《三才图会》中的「钓鳖」图

中国绞车结构示意图

斜面与螺旋

斜面是人们生活中熟悉的事物。通过斜面牵引重物到一定高度比直接将该物举到同样高度要省力。古代人对此有许多发现。《考工记·辀人》:「登斜者,倍任者也。」这是指拉车上坡比走平地要付出更大的力。《荀子·宥坐》:「三尺之岸而虚车不能登也,百仞之山任负车登焉。何则?陵迟故也。」这就是说,人不能将空车子举上三尺之岸,却可以将满载的车子拉上山,因为山坡斜缓的缘故。《墨经·经下》有一段文字记述,专门教人如何制造一种斜面引重车,以便将重物拉举到所需的高度。

将斜面卷起来就成为螺旋。它包括螺栓、螺帽,或圆柱体的螺杆。在众多简单机械中,独此为西方文明的产物。大约于明末清初由来华传教士传入中国。它的功用,一是它能与普通齿轮相接合;二是在成直角的二轴间传送运动。明代以前,在机械工程中,中国人对此有其他解决办法。由于古代机械多为木质,中国人发明的斗栱与榫卯接合法不比螺旋接合差;在传送运动方面,中国人发明的各种齿轮在古代技术水平上完全可以代替螺杆。

墨家创制的斜面引重车。图中所见,在这辆前低后高的板车后端装一个滑轮,绕过滑轮的绳索,一端系在后轮轴上,另一端系在车梯低处的重物上,当用力牵引车前进时,因后轮轴一转动而将绳索缠绕于其轴上,重物即被牵引而沿斜面上升。

尖劈

尖劈是斜面的一种具体形式。原始社会时期,人们打制或磨制的各种石制或骨制工具中,有许多是利用了尖劈。尖劈能以小力发大力,以小力得到大功效。而且尖劈两面的夹角越小,以同样大的原动力就可收到更大的功效。因此,尖劈发展成为尖利的锋刃,如针、锥、铁钩等物。随着材料的进步,各种尖劈也以青铜、铁或钢铁制成。

王充在《论衡·状留》篇中写道:「针锥所穿,无不畅达;使针锥末方,穿物无一分之深矣」。可见人们在理论上也知道尖劈原理。

尖劈在机械工程中应用普遍。古代榨油机被称为「尖劈压机」就是一例。在该机架上叠方木,方木间打入长楔,以挤压预先置于方木油槽中的油料。尖劈原理的另一个重大历史应用是耒耜和犁的发明。公元前5000年浙江河姆渡遗址中发现有骨耜。战国时期出现铁犁铧。犁中的铧与 是翻土的主要部件。犁铧以铸铁为之,多为等边三角形,两边削薄成刃,其前端交为犁锋,也即尖劈,其功用在平切土地。犁 ,也以铸铁为之,多为抛物线型斜面,其功用在于将犁铧所起之土翻向一侧。在犁这一农耕工具中。尖劈与斜面都用上了。今天,虽然犁的外形、大小、质地、发动力等方面有所改进,而犁铧、犁 的基本形状及机制却没有改变。

江东犁

江东犁结构示意图

新石器时代用于产生尖劈作用的石器和骨器

绳、链、铰链

在桔槔、辘轳和绞车等机械中,都可以看到绳带。就绳索而言,特别是那些天然植物纤维,无疑在新石器时代已被运用。但是,起机械传输作用的绳带在中国的确切起源时间尚不能确定。据考证,手摇纺车可能产生于公元前13世纪的商代。若是,则利用绳带传送运动也不晚于此时期。

直至西周时期,以传动为功用的绳带得到较多应用,《考工记》一书便记述了专门制作皮革用品的「函人」与「鲍人」。春秋战国时代的《墨经》中,亦探讨了发绳的结构与应力关系。可见,绳带的应用及其物理性能,在当时已受到人们的重视。

链,其形状与质料都多种多样。它是既坚固又能挠曲的传动机件。商代初期,在一些日用青铜器物上已有圆环式金属链作为器物与其盖的连系物。在古代各类水车中,如翻车 (龙骨水车)中的刮水板,高转筒车的水筒,都以链的形式安装在机械中。传输作用的铁链是中国人最早发明并应用的。北宋苏颂创制的天文钟即「水运仪象台」中有称为「天梯」的机件,实际上就是输送运动的铁链。

在绳链系统中,还应当谈及铰链在中国的发明和应用。在农业、战争与纺织工艺中,铰链有显著用途。由一长柄和一组平行木构成的农用连枷,或由一长柄和一环式链构成的军用连枷,都属于铰链的一种。由于人的适当操作,长柄的前后运动可以转变成平行木或环链的回转运动,而且产生较大的打击力。在畜力利用、青铜器和青铜铸造的车饰件中也常见各种形式的铰链。在战国的礼器青铜瓠壶和鼎上,还可见到,人们成功制造的球形铰链和T形活动。

曾公亮《武经总要》中的军用连枷,由一长柄和一环式链构成。

明代《奇器图说》中的循环链斗式输送机图

连杆和曲柄

在转换运动形式的机件中,曲柄起着相当重要的作用。曲柄俗称「拐」。辘轳上装曲柄,便于人们转动它。砻或磨上的连杆与曲柄,使手推连杆的往复运动轻易地转变成磨的回转运动。中国人在发明脚踏纺车的同时,又创造了倾斜式连杆或曲柄。它与踏板、甚至与具有偏心运动的轴接合式踏板相结合,对中国古代纺织业的发展作出了特殊的贡献。曲柄、连杆与偏心轮相结合,形成复杂的曲柄机构,可以将回转运动转换成直线式往复运动,也可以将往复运动转换成回转运动。此机械在蒙元(13世纪)时传入文艺复兴时的欧洲。

在古代粮食加工机械中的「水击面罗」、在冶铸生产中使用的鼓风机械「水排」,都有复杂的连杆机构。它们是近代蒸汽机、内燃机中连杆机构的始祖。在近代工业兴起之时,它们都起了不可或缺的作用。

《农书》中的「水排」图

《农书》中的「水击面罗」图

轮、齿轮和弹簧

公元前3000年,两河流域的西亚文明已经知道车。在中国,车的发明晚于两河流域,其年代不早于公元前15世纪。车轮的起源,可能受到早期人类生活或木头或木柱滚动的启发。

车轮诞生之初,以整段木头作轮,与此不无关系。但是,就中国轮的起源而言,从公元前5000年起的新石器时代已有纺轮、陶轮,甚至经过雕琢加工的玉质珠、轮、环和璧。由此发展顺序看,中国的车和车轮是独自发展的。

轮,既可作为传递运动的机械,又可作为承载负荷或用以破碎它物的机械。在交通车中,轮既要运动又要载重。因此,古代人制造木质车轮的工艺要求是相当高的。《考工记·轮人》对春秋战国之际制轮工艺技术作了详尽记述,对轮的各部件(毂、辐、牙)的形状、规范、相互间尺寸比例及接合工艺,包括其中的科学道理都作了记载。其中,要特别指出的二点是:车辐入毂的深度应等于辐的广度(「量其凿深,以为辐广」);整个车轮制成后,车毂要向外侧(或内侧)隆起,就像鼓肿的大眼睛(「望其毂,欲其眼也」)。前者是保证木质轮结构坚固的数学法则;后者保证载重轮在崎岖不平的道路上能扺抗其侧向冲力、震动力或破坏力。

齿轮,一般用以改变传动或转动方向、速度及改变力矩。齿轮大量发现于战国、秦汉时期。出土实物中,有战国齿轮陶范、汉代铁齿轮和青铜齿轮;从其形态种类言,有普通齿轮、棘轮和人字形齿轮,也有直齿正轮和斜齿轮。齿轮被广泛用于磨、里程计、弓弩瞄准器和天文钟等方面。还有一种凸轮,在古代也得到广泛应用。它是一种具有曲面周缘或凹槽的机件。古代水碓、机碓中,转动轴上装有数组拨杆。拨杆不仅与主轴一起转动,而且它拨动舂杆 (即从动杆),使舂杆往复上下跳动。这各组拨杆就起了凸轮作用。在记里鼓车、张衡创制的称为「转轮蓂荚」的天文仪器以及儿童玩耍的小风车上,都有类似的凸轮。

在某些机械中,齿轮与弹簧往往联合应用。过去以为螺旋弹簧是欧洲的发明,片式弹簧和扭力弹簧为中国创制。近年考古证明,中国早在战国时期就有螺旋弹簧。而明代茅元仪在《武备志》中,则绘画出武器上起控制作用的齿轮与这种弹簧的联合装置,且称弹簧为「子」。片式弹簧、尤其竹制弹弓在弓箭、纺织机械、捕鼠器等方面,均被广泛应用。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2016-07-21

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