從“變形金剛”到“自變形機器人”

勞永新

《西游記》中的孫悟空會七十二變，這是神話小說，現實世界中有一種玩具“變形金剛”卻真的能變。20世紀80年代美國“孩之寶(HASBRO)公司”首先推出第一批戰士可以變形為汽車的變形玩具，后來隨著《變形金剛》動畫片和電影的公映，這類“變形金剛”玩具迅速風靡全球，受到青少年和兒童的推崇。1986年《變形金剛》動畫片在中央電視臺的黃金時間播出后，在我國京津滬等大中城市的青少年中也掀起了“變形金剛”熱，僅“孩之寶公司”就從中國賺取了50億元。

比較簡單的“變形金剛”，例如一個站立著的勇士，憑借他的腿的收縮，腰的轉動和頭的縮進，手臂的內收等步驟，便可以變形為一輛小汽車，再經過車中部的拉長，車蓋的向前翻轉及車中部的旋轉，又可以變回為一個站立的勇士。除了可變形為汽車外，“變形金剛”還可以變為戰車、飛機、直升飛機等等。再復雜的“變形金剛”也都是由許多相同和不同的組塊連接后，通過平移、伸縮和折疊等基本動作來改變其外形的，而其組塊本身并不變化。

“變形原理”源自于自然界生命和動物的活動，例如鳥類就是靠上下撲打翅膀的變形來飛行的；青蛙靠腿部的蹬水，改變腿的位置和形狀來游泳的。1903年12月17日美國萊特兄弟制造的世界上第一臺動力飛機就是有活動翅膀的變形飛機。現在不少人正在研制節省能源且安全的撲翼飛機。超音速的噴氣式飛機的機翼是固定的，高速飛行時阻力大，因此人們發明了機翼后掠的三角翼飛機以減少激波阻力，但卻不利于飛機的升降、起降所需的跑道距離太長。于是又發明了“變翼飛機”，起降時用平直機翼，而高空高速飛行時則變為三角翼，較好地解決了飛機的速度和升力間的矛盾，達到不同飛行階段采用不同形狀機翼來適應不同速度要求的目的。對螺旋槳飛機的速度和升力的矛盾則可以用另一種變形來解決。直升飛機戰斗機靠旋轉翼的旋轉產生升力，可以不用跑道垂直起降，但是此時的飛行速度低，容易成為地面敵人火力的攻擊目標。因此美國海軍發明了“傾轉翼飛機”，飛機起降時，將旋轉翼朝上，作直升飛機用，升空轉為平飛后，旋轉翼轉向朝前，作推進螺旋槳用。

通過改變組件或部件的位置來實現變形，這就是“變形”發明原理。常用的變形方法是通過伸縮、嵌套、旋轉和平移及折疊。折疊可以縮小產品的存放體積，改善產品的性能或達到多用途的目的，其應用非常廣泛。古代中國就有可折疊的屏風：日常生活中常用的有折疊門、傘、眼鏡、自行車等等，以及多用的折疊桌椅、嬰兒床和沙發床等等。直到高新技術中可折疊的電腦屏幕、鍵盤和手機等等，還有航天技術中人造衛星和宇宙飛船所用的可折疊太陽能電池板和折疊式拋物面天線。2003年4月美國“勇氣號”火星探測器順利到達火星后，探測器便從折疊狀態伸展開來成為“漫游者”機器人，其外形是一個六輪探測車。

常見的變形汽車是轎車和敞篷車的兩用車，它有活動頂棚，一按電鈕，活動頂棚移開，轎車就變成了敞篷車，再按電鈕，頂棚便移回，又變成轎車。還有一種小貨箱轎卡車和轎車的兩用車，例如“別克LaCrosse”概念車，轎車會自動把天窗后移，而后擋風玻璃和行李艙后蓋會前移到原天窗的位置處，同時后座位靠背內的隔離窗垂直升起以隔離乘客艙，便形成小貨廂而變成小貨箱轎卡車。

把變形原理的概念從純機械動作擴展到利用電致伸縮等效應，以及從常觀的變形擴展到微觀的分子變形和原子排列的改變等，都是創新。例如英國倫敦大學的科學實驗發明的傘形變形天線，傘形天線的固定桿用鎳鈦合金絲，通斷電流時合金絲會發生伸縮，而且用計算機數字化控制，在接受特定的無線電信號時，就可實現最佳化，提高接收效率達20％。美國西北大學的化學家仿照生物的酶催化時，酶蛋白受“底物”誘導后會變形，變成與“底物”的形狀成互補形狀的作用原理，發明了含兩個鋅原子和兩個銠原子的環狀有機化合物的變形催化劑，可以催化醋酸酐和水的反應生成醋酸。還有在微電子學的芯片技術中采用的“變形硅”技術，改變一層硅材料中原子的排列狀態，可以擴展晶體管的電子通道，加快電子的移動速度，減少電阻，降低能耗。

爬行動物蛇會隨時變形，蜿蜒地前進，在攻擊獵物時又會變形，盤成可緊縮的圓環形狀。現在人們已仿照它，發明了各種蛇形機器人用于偵察、探險、排險和救災。

“自變形機器人”，也稱“自重構機器人”，它可以通過自主變形來適應環境和任務的需要，如完成翻越不規則障礙物等任務。以一種模塊化的“自變形機器人”為例，它由許多模塊構成，每個模塊有能源元、驅動元、傳感器和控制元，是一個獨立的有計算和通訊能力的智能體。模塊的中心體是一個正方體，其六個面都可以繞中心體旋轉，兩個以軸和孔連接的模塊又可以進行伸縮平移和相對旋轉，所以這種機器人可以自主變形。

目前“變形原理”不僅已經應用于機械、輕工和許多生活產品的發明中，而且已擴展應用到電子、化工和生物等工程領域，它的進一步擴大運用將會帶來更多更新的創新發明成果。