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幻 講 座 》
回 - 機 動 外 骨 架


文 / Group
科幻類的作品一向是商業娛樂作品的大宗。其中,令人眼花撩亂的科幻想像與設定 便是吸引觀眾或讀者的最大賣點。有許多青少年甚至因深受科幻的「感動」而投身 艱難枯燥的理工科。筆者因自身即學工科,又向來對種種新奇古怪的科技發展頗有 興趣,因此撰此專欄,向各位讀者介紹現實科技與科幻想像之間的關聯與差異。

讀者諸君切記一點,就是絕不要斷言:「不可能!」

熟知科學、科技發展史的人都知道,許多偉大的科技突破在研究階段均被人指為可 笑、不切實際,如高達的火箭、萊特的飛機與超音速飛行等今日習以為常的事物。 但有些東西以目前的科技水準、模式下是辦不到的;或者有些根本違反邏輯、違反 基本物理定律的,那麼才是不可能,除非有比相對論深奧十倍、百倍的新宇宙理論 出現才行。

還有一點也必須注意,就是工程是非常複雜的事,小至螺絲、齒輪都有繁複的公式 要算,有表格要查,絕非憑自己喜好隨便湊湊即成。所以,切勿自己隨便評斷「這 裡何不這樣,那裡何不那樣」以免徒惹訕笑。筆者為工科學生,才知人力所限,在 五花八門的今日科技世界中,撈過界絕非易事。在本專欄中也避免了任何深入的理 論探討與公式計算,只提供筆者所知有關該科幻構想所涉的有關科技領域的資訊。

若諸位讀者有何疑問,歡迎寫信來詢問;若筆者所言有誤,更歡迎指教與批評。



壹、機動外骨架

所謂的外骨架,是相對於人體的骨骼而言;這種機械沒有自主運動的能力,一舉一 動均為人所操縱。在動畫中最為著名的外骨架自然是機動戰士與機動警察了,在本 篇中將以此二者及數種其它類似裝備為例。向各位讀者以實際的角度來剖析這種機 械。


一 、 動 力

在所有科幻片中出現的外骨架和機械人,都是運動迅速又力大無窮的,但是只要略 加觀察今日的機器手臂,便可知其「力量 / 重量比」遠低於人類的手臂;比方說: 一隻5公斤重的人手可提起10公斤重的物體,而5公斤重的機械臂絕提不起1公 斤重的物體。其理何在?

人手的主要結構包括骨骼、肌肉,肌肉是動力來源;機械臂則是外殼、傳動系統、 結構骨架及視自由度而定的數個馬達,其中只有馬達能提供動力(尚不包括提供能 源的單元)。光從這種對比即可知機械臂「先天不良」。再者,人體遍佈肌肉,在 大、小腦的協調下能使身軀適度變形,活用槓桿、滑輪等基本物理原理,然而這對 工程師而言卻是複雜到跡近於不可能的動作。同時,肌肉剛性不及金屬機械材料, 但韌性、強度均勝之,因此同質量的鋼絲與肌肉相比,以後者較能承受拉伸、衝擊 等應力,換句話說:較能吃力。(註1)

那麼機械臂有何優點呢?首先是能重複、精確地做同一工作,且幾乎不受繁重工作 影響而像人一樣會「疲勞」。

這麼說來,機動外骨架永不可能像機動戰士、警察般力大招精囉?其實倒也不見得 !目前有兩種科技可能可使機械的「力 / 重」比提升至人體的水準。

Ⅰ「人工肌肉」:利用電或化學法驅動合成材料舒張或收縮(如聚AMPS與電流),原理 與肌肉大同小異。但難題是人工肌肉不可避免地要浸在液體中。不管用電或化學方 法都很難迅速改變其狀況,換句話說就是它的反應快不到哪裡去。此外,別夢想人 工肌肉會有電動或油、氣壓驅動法的精確度了,甚至它可能會疲勞!這就是所謂有 得就有失,天下沒有白吃的午餐(或兩全其美的事)!

Ⅱ「形狀記憶合金」:今日正日益走紅的形狀記憶合金,是用溫度控制使特製合金變形 至特定形態。明白地說就是在T1度將它塑成A形,降至T2度時它會變成B形, 但再升至T1度時該合金會變回A形。而難題則是:溫度是機械工程最難精確掌握 的變數了。且今日的記憶合金僅限於記憶撓曲度,要做其它花樣可就難了,尤以肌 肉的唯一動作--伸縮--為然,因該動作牽涉密度的變化,要金屬大幅改變密度又是 難上加難,不如另闢蹊徑。

在以上的兩動力機構中,前者在《裝甲騎兵》之中似有一席之地,前者伸縮、後者 扭轉,各有所長也各有所短。在應用上困難重重。

Ⅲ「壓電材料」:這是一種頗奇妙的材料,當它受到電壓剌激時會縮短,反之亦然 (受壓力會放電),若研發成熟,有可能在半世紀內淘汰電動馬達與油氣壓傳動系 統,成為高功率 / 重量比的動力來源。

此外,受磁場影響而變化長短(原子作用力改變)的「磁致伸縮材料」是更有潛力 的明日之星,有些種類伸長量低,卻能大幅改變楊氏係數(類似彈簧常數),使得 其結構特性可作多方面利用。


二 、 能 源

機動戰士的能源來自搭載的小型核融合爐,機動警察則是電池,人體呢?根據熱力 方法的計算,人體若是以熱機方式產生能量,我們所需的能量可得使身體燒起來才 辦得到(熱機溫度愈高、壓力愈大效率愈高),故應是類似燃料電池的方式。

核融合爐屬外燃式的原動力廠,所有原動力廠都有同一缺點:啟動及停機緩慢、增 減輸出的反應速度比不上內燃機。在這一點上,燃料電池或許不比它好多少,但燃 料電池的效率卻遠高於任何熱機。

或許有些讀者不太明白何謂「燃料電池」。燃料,是用來燒的,燃料的化學能被燒 成熱能加熱「工作介質」(如發電廠的水蒸氣、內燃機的空氣)變成動能「機械能 」,而機械能藉由渦輪或活塞轉成電能(在車船飛機上多數仍轉成機械能)。這種 過程在理論上能達到的效率就頗低,而一般火力電廠採用藍肯循環 (Rankine cycle) ,只有 11~13% 熱能被轉成電能。

但燃料電池不同,燃料與氧化物(氧氣或其它)溶入液體,在觸媒的協助下化合( 氧化,和緩的燃燒之意),化學能直接變成電能,理論效率高達 40%,實際應用也 在 30% 以上。氫氣、甲烷(天然氣)等凡能溶於液體的燃料都能作為燃料電池。號 稱「第四代能源」,清潔、高效率、安靜是其無可比擬的優點,彈性也遠較巨型電 廠來得大。


三 、 控 制 系 統

駕駛座艙為傳統定義的人機介面的範例1。
人一隻手有20個自由度,以今日的機械臂驅動法而言,這就代表必須有20個馬 達,其操控程式的複雜程度會逼瘋工程師,而要操縱者一一指揮更是痴人說夢。( 想想你可以數出多少個「必要」的動作,而每個動作使用了多少自由度即可明白。 )也因此,要操縱人形機械人像人一樣靈活,有兩種方法:

製作許多副程式,每個負責一種動作,而由操縱者或電腦選擇動作。關於前者, 我想阿姆羅阿寶在和夏亞馬沙激鬥時,不會有空去按鈕叫鋼彈高達握拳。似 乎機動戰士的駕駛員只管武器選擇,機體移動方位、方式、動作方面一應交給電腦 自行判斷了,這可得今日的超級電腦更上幾層樓或第五代電腦開發成熟,才辦得到 。

駕駛座艙為傳統定義的人機介面的範例2。
機動警察的電腦具學習功能,也就是記取每次運動、打鬥的經驗,使下次面臨同 一狀況時能更迅速、圓滑地執行駕駛員的指令。因此機動警察必須由固定駕駛員操 控才能發揮性能。

最有效,也是最不人道的操縱法,首推《超時空騎團》裡的機器蛙了,那是仿照人 體結構製造的機動外骨架,駕駛員的神經末梢被接上電極,他的脊椎,大腦、小腦 發出的指令全部完整地反應到機械上,也就是當他大腦命令右手握拳,神經也忠實 地傳達到手部了,只是肌肉沒收到訊息,訊息被「吃掉」了。這種方式只有一個缺 點:在太空中機器蛙不使用承載火箭無法運動(誰背上長了個火箭?),且對駕駛 員的神經系統很不好,另外,機器蛙也不可能像機動戰士一樣有機砲、粒子砲等固 定武裝。但可行性遠高於前二者。

所謂的人機介面,泛指一切介於操作者與目標機械間的輔助硬體。小至斧頭的柄, 大至戰鬥機的駕駛艙,但在本文中則特指協助操作者操控整具機械的軟、硬體。

如前文所提, MS LABOR 均有有限度自我判斷運動的功能,而構成這種功能的程式 ,便是一種非常了不起的人機介面,至於可行度如何,筆者認為至少得再等廿年資 訊工程界才可能發展出略具雛形的此類實用化電腦與軟體。而程式自主性愈高,操 作員愈省力,例如《泡泡糖危機》中「騎士軍刀」們使用的機動外骨架,可作 Mote slave / Moto Roid 的變形,前者為她們裝甲服(Hard suit,已是外骨架)的再延伸 ,而後者則是具備有限度自我判斷運動能力的機械人,不需由操作者一一指揮。當 這種人機介面發展到極致,就不再是人機介面了,操作者已無必要,這時「牠」( 它?)可泛稱為人造人、生化人、電子人等等。關於這點,將留待以後再討論。

   
《泡泡糖危機》裡西莉亞等人使用的二次裝甲服 (Moto Slave),可變形為有限度自主判斷機械人 (Moto Roid)

《五星物語》的 Fatima 仍保留人機介面的定義:她們是協助騎士們駕駛 MH 的。 而 ETRRM (非人型 Fatima)則是不折不扣、完美的人機介面,因為「牠」相當於 機體的一部份,就像小腦掌理身體協調般使機體協調執行駕駛員(大腦)的命令。

除此之外,另一有同等效果的人機介面是人類腦波判讀設備,這個的難題於如何從 腦波波形中判讀駕駛員的思想,尤其是反射動作完全不經大腦。自然無法讀取其訊 號。因此尚在概念階段。(下回待續)


註1 老實說,筆者看到這種話,但一直找不到確切的數值以證實之,因 此肌肉是否真比金屬的強度高這件事姑且存疑。
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原文刊載於「神奇地帶 No.33」 內 ( 1992 年 5 月 5 日 )

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