机器人简史

尽管世界上各大文明的发源地不同，但基本上都出现过关于自动机械装置或机器人的记载。

1．神奇的指南车

当我们在野外探险时，先进的导航技术可以让我们方便地获得定位、方向指示、路线指引等服务。然而在科技发展水平相对较低的古代，在复杂环境下辨别方向并不是那么容易的事情。因此，发明家们做出了诸多努力，图 1-1 中展示的指南车就是其中的成果。

指南车是一种指示方向的装置，由齿轮系统构成。不管指南车向何方行驶，车上所立木人的手指永远指向南方。据西晋崔豹撰写的《古今注》记载，黄帝与蚩尤在逐鹿之野大战时，蚩尤施法布下百里大雾，三日三夜不散。为了突出重围，黄帝命令大臣风后造指南车，为大军领路，最终大破蚩尤，统一了中原。《古今注》里还记载，西周成王时，南方的越裳氏到镐京进贡，路上迷失方向。周公便派指南车接其入镐京。需要说明的是，根据现代科学家的考证，我国的齿轮出现于战国到西汉之间，因此《古今注》中关于指南车的两则记载并不可信。

到了三国时期，魏国的马钧对传说中的指南车很感兴趣，立志要造出一辆。这样的想法在当时的大臣们看来简直是异想天开。马钧与这些反对者在魏明帝面前展开了激烈的辩论。面对别人的质疑，马钧在没有资料和模具的情况下，刻苦钻研，反复实践，终于利用差动齿轮的原理制成了指南车，“全国服其巧也”。指南车让马钧成为了中国古代科技史上最负盛名的机械发明家之一。

南北朝时期，南齐高帝萧道成命令大名鼎鼎的数学家和天文学家祖冲之仿制一台缴获自前朝的指南车。祖冲之潜心钻研，在充分吸收之前指南车工艺的基础上，对其构造进行了改良，内部机件全部改成铜制。南齐高帝派人去试验这台指南车，发现它运转灵活、指向准确，比之前的那辆更加坚固耐用。北朝有一个名叫索驭飗的，自称也会制造指南车。南齐高帝有意让他们比试一下，便命令索驭飗也制作一辆指南车，和祖冲之的那辆进行比赛。结果祖冲之所制的指南车运转自如，索驭飗所制的却不那么灵光。因此索驭飗甘拜下风，并亲手毁掉了自己制作的指南车。

后来，指南车被更为精巧的指南针取代，逐渐退出了历史舞台。尽管如此，指南车仍然是古代中国乃至世界文明史上重要的发明之一。

2．水与壶的传奇

说到水和壶，我们可能会联想到一杯清茶或咖啡。但是，你知道水和壶相结合，曾经能为人类报时吗？

人类最早的计时工具是漏壶。它的出现不是偶然的，而是古人们长期观察大自然的产物。古人在用陶器取水和储水的时候，因陶器质地疏松会出现漏水现象，而水面下降的速度则与时间有一定的对应关系。经过反复总结实践，大约在夏商时期，古人们创造出了“沉箭壶”。“沉箭壶”是一只盛水的铜壶，在壶的底部有一个小洞。一根有刻度的标杆竖立在壶中，刻度部分浮于水面上。当水从小洞慢慢流出时，人们就可以根据标杆上对应的水位刻度来判断时间。由于漏壶中的水量对水滴的速度有一定的影响，所以计时的准确性较差。图 1-2 左侧展示的是一把汉代的铜制漏壶。

为了提高计时精度，后来人们又发明了“浮箭壶”，如图 1-2 右侧所示。其结构原理为：三个漏壶被放在不同高度的平面上，最下面放一个接水壶，有刻度的箭杆便放在这个接水壶中。使用时，水从最上面的壶依次流到中间和下面的漏壶中，最后流入下面的接水壶，标杆上浮显示对应的刻度。这样的设计避免了“沉箭壶”由于水量减小对水滴速度的影响，计时更加准确。这样的多级漏壶出现于东汉初年，张衡使用“二堵”，即一只漏壶和一只补给壶（不算最下面的接水壶）进行计时。晋代出现了三只一套的出水壶，而唐初的吕才设计了四只一套的漏壶。现在，故宫博物院也保存着一套清代的大型漏壶。

在世界其他文明的史料文献中，也记载着关于漏壶制作和使用的相关内容。公元前1400 年左右，古巴比伦人使用泄水型漏壶进行时间计量，其原理类似于我国古代的“沉箭壶”。在古埃及，同时使用泄水型和受水型漏壶，其中受水型漏壶类似于我国古代的“浮箭壶”。公元前 270 年，古希腊发明家特西比乌斯改进了漏壶，并采用人物造型的指针指示时间，如图 1-3 所示。

漏壶利用了水的重力作用，是一种简便精巧的计时仪器。当然，古代文明中的计时仪器不只有漏壶一种。由北宋天文学家苏颂等人研制的“水运仪象台”，如图 1-4 所示，便是集观测和演示天象、测时和报时于一体的综合性观测仪器。“水运仪象台”实际上是一座小型的天文台，利用水力驱动和机械传动。另外，民间也流传着一些简单的计时工具。如唐朝和尚发明的盂漏，就是其中的一种。将一个底部钻有小孔的铜盂放置在水面上，水即从洞中涌入盂里。当水满到一定的程度，容器就会沉下去。取出铜盂倒掉水，便可以重复利用。铜盂的大小和重量是有规定的，一般一个时辰沉浮一次。由于盂漏的制作工艺简单，成本低廉，因此成为古代人们最常用的计时器。

可千万不要小看了水与壶的结合。这些滴水的装置不仅记录了时间，也记录了古人们逐步掌握机械原理的历程。

3．有趣的自动玩偶

看过了指南车和漏壶，你是不是觉得有点意犹未尽？难道古代没有像人的自动装置么？如果能按照人类的形状，制作一些讨人喜欢的人偶，使它们具备各种各样的功能，取悦和服务于主人，该是一件多么愉快的事情！其实古代是有这样的人形自动玩偶的，它们也是现代仿人服务机器人的雏形。

唐朝是我国古代科技文化发展的繁荣期，出现了很多新奇独特的机器人或机器玩具。

它们程序复杂、移动灵活、外观精致，具有一定的实用价值。唐人张骛撰写了一本笔记体小说《朝野佥载》，其中记载了两个有关人形机器人的趣事。洛州县令殷文亮喜爱饮酒，于是便制作了一个木头机器人，为其套上绫罗绸缎，把它打扮成一个美女侍从，用来招待客人。这个“女招待”机器人总能彬彬有礼地酌酒行觞，让人很是受用。杭州城有一位技艺高超的工匠杨务廉，雕刻了一个木头僧人。这个有模有样的“和尚”手里端着一只木碗，能向人乞讨布施。等到木碗中盛满了铜钱后，机关启动，木僧人就会说声“布施！”大家纷纷争抢着观赏这位木僧机器人，源源不断地往木碗里放钱。一天下来，杨务廉的木制和尚赚得盆满钵满。

唐朝东海郡的马待封同样是一位能工巧匠。他自幼学习木器制造，平时勤奋钻研，熟练地掌握木器雕刻、油漆、绘画和烫画等工艺，并擅长机械、风能、水能、齿轮、平衡等原理在木器上的应用。马待封曾经制造了一台配有木制机器人的梳妆台，专供皇后梳妆打扮。这个自动装置“中立镜台，台下两层，皆有门户”，设计独特，内部设置有隐藏机关。皇后在梳洗时，触发机关，就会有一个木头妇女机器人递出毛巾和梳子，等皇后梳洗完毕，它又手执香脂、妆粉等恭敬递上。最后，化妆品仍由这位机器侍从放回原地，妆台上的门也会自动关闭。

在国外的科技史上，也记载有许多自动玩偶的故事。欧洲文艺复兴时期的杰出代表、意大利著名科学家和艺术家莱昂纳多 • 达 • 芬奇就设计了一款机器人。它以木头、金属和皮革作为外壳，以齿轮为驱动装置，可以坐下和站立，同时头部也和胳膊可以进行相应的转动。后来一些意大利科学家根据达 • 芬奇留下来的草图进行了认真的揣摩，耗时 15年终于制成了一款被称为“机器武士”的机器人，如图 1-5 所示。它依靠风和水力驱动，不仅体现了达 • 芬奇在机械设计方面的高明之处，也体现出他在解剖领域关于人体比例方面的研究成果。

匈牙利男爵沃尔夫冈 • 冯 • 肯佩伦于 1770 年建造了一个坐在大机箱前的木制机器人，被称为“土耳其机器人”，如图 1-6 所示。它的本领是通过复杂的齿轮和杠杆系统来移动棋子，与人下国际象棋。在维也纳皇宫的首次表演中，它就迅速击败了对手，让在场的观众直呼过瘾。从那以后，肯佩伦带着它在欧洲各地巡回表演，击败了一系列著名的挑战者，其中包括拿破仑和本杰明 • 富兰克林。最终，机器人“战无不胜”的骗局被揭穿，原来机箱里藏了一名象棋高手，通过磁铁系统来跟踪对手的出棋并移动自己的棋子。

1768—1774 年，瑞士钟表匠皮埃尔 • 雅奎特 - 德罗兹和他的两个儿子制造出三个惟妙惟肖的自动玩偶，分别是“写字机器人”“绘图机器人”和“演奏机器人”，如图 1-7 所示。其中，“写字机器人”背后的发条被上紧后，它就会抬起右臂，将手中的鹅毛笔伸到桌子右侧的墨水壶中蘸一下，然后在桌子当中的白纸上缓缓写出几行词句。该机器人的另外一个神奇之处在于，只要更换其体内的 40 个可替换的齿轮，它就可以写出不同的字词和句子。这意味着这台“写字机器人”可以进行编程操作，所以它被一些科学家视作现代计算机的鼻祖。这三台国宝级机器人至今还保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。

4．澎湃的机器时代

开始于 18 世纪 60 年代的工业革命，使欧洲各国完成了从工场手工业向机器大工业的过渡，进而使人类跨入了机器时代，推动了生产力的巨大发展。机器的发明和使用成为了这个时代的标志。例如，机器的大量普及使用让纺织行业逐渐摆脱了人力密集型的生产模式，而自动纺织机正是这一时期的杰出产物。1801 年，法国丝绸织工兼发明家约瑟夫 • 雅卡尔发明了一台可以通过穿孔卡片控制的自动织机（见图 1-8），可极大提高生产效率，为资本家们创造丰厚的利润。短短的十年间，欧洲就有数千台这种织机投入使用。

机器也给科学计算带来了极大的便利。1822 年，英国发明家查尔斯 • 巴贝奇设计出了差分机。这是人类历史上最早的可编程机械装置，也是一种自动机械计算器。操作人员通过摇动手柄驱动机器运转，按照预先设定的程序，可以计算出多项式的分布表。根据巴贝奇的设计图，伦敦科学博物馆于 1991 年制造出了这台机器，如图 1-9 所示，将这个概念设计变成了现实。