[教学][扫盲]高达扫盲讲座开始第十三话:外骨架

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楼主

发表于 2008/02/12 | 编辑

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外骨架
外骨架
外骨架
外骨架
外骨架
外骨架
外骨架
终于想出来做什么了。。。。。。
这年过的~~~~~~~~
比较脑残。。。。。。。

算了
废话少说
开始上课!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

还有那个。。。。
索引贴
可以找到我所有的教学贴。。。。

http://www.sosg.net/read.php?tid=118970

所谓的外骨架，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。在动画中最为着名的外骨架自然是机动战士与机动警察了，在本篇中将以此二者及数种其它类似装备为例。向各位读者以实际的角度来剖析这种机械。

一、动力

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，活用杠杆、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。（注１）

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。

Ⅰ「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）！

Ⅱ「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于记忆挠曲度，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、后者扭转，各有所长也各有所短。在应用上困难重重。

Ⅲ「压电材料」：这是一种颇奇妙的材料，当它受到电压剌激时会缩短，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。

二、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于任何热机。

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。

三、控制系统

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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，而要操纵者一一指挥更是痴人说梦。（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：
Ⅰ 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。

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驾驶座舱为传统定义的人机介面的范例２。
Ⅱ 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。但可行性远高于前二者。

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，但在本文中则特指协助操作者操控整具机械的软、硬体。

如前文所提， 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*」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「牠」（它？）可泛称为人造人、生化人、电子人等等。关于这点，将留待以后再讨论。

　　　
《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)。

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《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「牠」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，这个的难题于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。