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机甲梦,醒醒吧!

时间:2024-05-19

岚风

机甲是许多动漫迷们最爱的角色,这些巨型机械有一些典型特征,如使用双脚行走,外表近似人型,而更让人着迷的是人类可以坐在其内部的驾驶舱里,使出各种大招。日前,一场真人版巨型机器大战更是在美国上演,美国研发人员驾驶着“马克2”和日本人驾驶的“水道工”贴身搏斗,上演了一场真实的“铁甲钢拳”。

那么,现实中会有这种东西吗?人类是否真的能在未来战场上驾驶步行机器人呢?让人失望的是,从科学的角度来看,人类驾驶步行机器人的可行性非常小。让我们来看看为什么吧。

太过笨重

无论是奥特曼、圣战士、还是机械怪兽哥吉拉,这些机甲都体型无比庞大。拿奥特曼来说,按照官方的说法,奥特曼的平均身高在45米左右,最高的在55米以上,最矮的也有40米,跟10多层的楼房一样高。

然而,在工程学和生物工程学上,有一个广泛用到的平方立方定律,犹如紧箍咒一样,限制着物体的大小。这个定律说的是当一个物体的长度增加N倍后,它的体积会增加N的立次方倍,而表面积或者任何切面的面积将会放大N的平方倍。这一关系并不受物体形状的影响,这些物体可以是立方体、球体、不规则体,甚至是一只蜘蛛。

按照这个原理,机甲体积越大,它会变得越重。打比方说,如果你让机甲变得比其他物体高2倍,它们的重量会重8倍,而支撑其体重的材料强度只会增加四倍。以此类推,最终你会到达一个临界点:这些机甲的体重如此之重,以致于它无法支撑自己的重量而自我解體。反之,体积按比例缩小,你就会变得更强壮,这就是为什么蚂蚁能轻松地扛起比自己重很多倍物体的原因。建造巨型机甲?没那么容易。

此外,根据中学物理里的压强定义,我们知道在一个表面产生的压强,是物体重量除以受力面积。机甲使用的是双足系统,身体的大部分质量集中在两条腿上,受力面积非常小,会导致它们接触的地表因承受巨大的压强而被“穿透”,这就跟一个女士穿着细高跟踩在地板上,有时会磨损地板一个道理。

德国在第二次世界大战期间研发的超重型坦克,就遇到类似问题。这辆超级坦克长为12.14米,宽3.67米,高3.66米,重达188吨,是当时最重的坦克,也是全世界到目前为止重型坦克记录的保持者!其配备的超级大炮足以摧毁任何装甲车辆,堪称坦克界之王。在最初的钢筋混凝土上测试时,这个坦克还能运行良好,然而,在第一次实地测试中,就因为过重陷入到了泥地里而无法动弹,最终这辆超级坦克因缺少实战价值而被送进了博物馆。

双足寸步难行

人类双腿行走的方式,非常有效率,能适应各种地形,尤其擅长于耐力行走和攀爬岩石。看看一个背着几倍于自己体重重物的士兵,能顺利穿越各种地形,你也会惊叹于人体的灵活性,也难怪动漫师们给巨型机甲们设想的都是双足行走。

但双足行走并不是最稳定的步态。人类的肌肉和神经的精妙配合,才能维持我们的平衡,使得我们走路非常灵活,但这实际上是一个非常难的过程,这就是为什么人类婴儿会花1~2年的时间才学会如何站立。实际上,在大自然中,相比较四条腿、六条腿和八条腿的动物,两条腿动物是绝对的少数。

此外,一个物体越高,就越难以保持平衡,像机甲这样体型庞大的机器人,会更难保持稳定。一个原因是为了支撑起机甲庞大的体重,在机甲的每个关节位置都会放置马达,但马达也比较重,这也意味着在机器人关节处,会聚集大量重量,使得机甲更加难以维持静态和动态的平衡。如果其失去动力,或者动力被关闭,机甲处于一个很容易被推倒的状态。

所以,虽然美日研究团队研发的“马克2”和“水道工”都模拟了人态,并号称它们是“机甲”,实际上这些机器人并没有依靠两条腿运动,而是靠轮子移动,不能算作是真正的机甲。

动力源如何解决?

另外一个问题是,如何解决机甲的动力来源。在科幻小说中,机甲会携带巨大的武器,发射炮火,远程射击敌人,这就要求有可靠的动力来源。按照一般设想,机甲可以由核聚变反应堆提供动力,但考虑到目前的核聚变反应堆与仓库的大小差不多,机甲本身携带核聚变反应堆是不可能的。在电影《环太平洋》中,机甲用的是传统的核裂变反应堆,利用重核裂变反应释放能量,这一反应堆可以在小规模的情况下提供高功率能量输出,但又不够安全。

现在,人们正在研究燃料电池,但这些研究还处于起步阶段,离我们梦想的能上天入地、持续战斗几天的机甲距离还很遥远。

实时控制成难题

在科幻或超现实的影视中,面对敌人的一个猛攻,机甲可以迅速回避或者招架住,这就要求机甲能为驾驶舱内的人类驾驶员提供实时环境信息。然而,设想容易,实践困难。今天,我们可以借助感应器感应外部环境信息,但在真实世界的战斗中,假如你真的驾驶一个高达数米的庞然大物,视线被挡,完全得依靠这些传感器的话,其实并不靠谱,因为传感器的任何轻微偏差都会导致机甲的控制系统运行错误,置你于危险之中。

另外一个问题是你该如何得到这些传感器的反馈信息。玩游戏时,游戏操纵杆会振动以给你反馈。例如在战斗游戏中用机关枪扫射,操纵杆会在你的手中震动;或者飞机在飞行游戏中坠毁了,操纵杆会猛然向后推。这种触觉反馈,可以帮你更好判断自己在游戏中遇到了什么。然而,在机甲驾驶舱内,这种触觉实时反馈的信息量过大,反而会让驾驶员难以处理,影响其发挥。

尽管困难重重,人类已经开始了制作机甲方面的尝试。比如,为了解决人口老龄化而可能出现的劳动力短缺问题,日本石油和铁矿石贸易商三井公司就开发了一套可穿戴盔甲,这套动力辅助服重约6千克,可以让用户在不压迫后腰的情况下提起重达15千克的物品。下一阶段,该公司还会减轻这套服装的重量,并减少成本,让其能举起更重的物体。也许总有一天,我们可以借助外骨骼来搬运货物。

然而,在可见的未来,人类驾驶着巨大机甲游荡在城市里,仍然只能是科幻小说里的场景。

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