圖解達文西機器人

名人推薦：

【推薦序】

做一個現代的文藝復興人！　　　　　　　　　　　　　～大同大學機械系暨研究所 教授

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　賴 光哲

本書是作者馬力歐．泰迪的團隊繼其《達文西的天才發明》後的另一鉅作。作者們活用現代的數值影像處理技術，將達文西的手稿重建、清理，使其恢復五百年前達文西繪製時的清晰度。過去的達文西研究學者們經常使用過度簡化的方式，對達文西草稿中所呈現的表象進行描述。在本書中，作者們採用影像處理技術將手稿進行解構，進行不同草稿之間的超...

達文西考古學

Da Vinci’s archeology

大家都聽說過達文西這位藝術家、科學家、以及無人能比的奇才。有人說世界上的一切幾乎都是他發明的，包括飛機、自行車和自走車等等。據說他的偉大畫作〈「蒙娜麗莎的微笑」（Mona Lisa）和「最後的晚餐」〉中隱藏著外人難以理解的奧秘……有人這麼說，看來也彷彿如此，但我們真的能確定嗎？

其實，實際情況要來得複雜許多，也和我們經常以過度簡化的方式描述它們時所呈現的「表象」大不相同。這本書適合所有人閱讀，即使是只知道達文西可能曾經發明自行車，但想更深入瞭解的讀者，也能有所收穫。這些讀者很快就會發現，真正隱藏在草圖中的奧秘其實完全不同，而且大多數人看不出來的東西，往往更重要、更引人入勝，而且更加複雜。極少有研究人員真正深入達文西的作品，而確實認真深入研究的書籍不僅不容易尋找，讀起來也不輕鬆。這類書籍大多只是單純地呈現他的草圖，再附加一些文字說明。

這本書是一個全新的出發點。我們嘗試使用更容易理解的說明方式，此外還搭配了800多張以往從未發表過的插圖——也就是達文西曾經提到的「視覺語言」——讓圖片「告訴」讀者更多資訊，進而更容易瞭解。

而在另一方面，比較熟悉這位傑出奇才，同時知道這些畫滿了設計和草圖的原稿總數超過5000張的讀者都很清楚，裝甲車和直昇機只是關於達文西的展覽和膚淺紀錄片中用來「吸引」觀眾的假象。在本書中，讀者將以創新的方式欣賞他的作品，我們將針對他的作品中最神秘難解、最具爭議性的幾個主題：自走車、機器獅，以及機器武士加以實體重現，同時提出全新的理論。不過在討論這三件作品之前，先瞭解他的機械技術背景應該會很有幫助。

下一章我們將先介紹機器人的歷史和現代分類，接著探討達文西研究及採用的機械基本元素——也就是機械的文法。我們將運用這些同樣可在現代機器人身上看到的工具，仔細檢視一些新的理論，探討多年來一直被誤認為是達文西的自走車的一具機器。我們將會發現，這具機器事實上並不是自走車。

接下來我們要研究的主題，是一具十分著名但已經消失的機械獅，以及它的重現圖，這又是一項首見的創舉！最後，我們將深入探究「據說」有機器士兵藏身其中的四份文件，以及埋藏在文件內的許多奧秘。在探究過程所展現的內容，將遠超過本書書名中「機器人」的範疇。

暢銷小說和賣座電影《達文西密碼》（The Da Vinci Code）描寫了一場引人入勝的追查過程，主角追查一連串的神秘線索和密碼，尋找失落的物品。但是我們不要忘了，儘管小說的故事純屬想像，而且其中許多情節並不正確；但在這本書中我們依據達文西的手稿，即將一步步拆解的奧秘和線索，卻是百分之百的真實。而這正是這種新方式格外引人入勝和令人興奮的原因。事實上，我們可以將這本書稱為「多媒體版達文西考古學」（the multimedia version of da Vinci’s archeology）。

Chapter 1

自動機與機器人

Automata and robots

介於虛構和真實之間

Halfway between myth and reality

自動機（automata，源於希臘文的automatos或self-propelling）是人類以人工方式複製生物動作的成果。自動機的歷史相當悠久。希臘神話中曾為奧林帕斯眾神打造武器的火神與金屬工藝之神赫菲斯托斯（Hephaestus），就曾以黃金製作機器女僕，並且發明了能自己行走的三腳凳（tripod）。

西元前520年，保薩尼阿斯（Pausanias）曾經描寫神話中的代達羅斯（Daedalus，是一位純熟的工匠）所製造的自動機。另外，品達爾（Pindar）、提亞納地區的阿波羅尼奧斯（Apollonius of Tyana）以及卡西烏斯．狄奧（Cassius Dio）等人，也曾經提到會動的神像。傳說阿契塔（Archytas of Tarentum，西元前400年）發明了螺絲和滑輪，另外還製作了機器鳥（a mechanical bird）。

古希臘時代（西元前323年~西元31年），科技和知識進展得十分迅速，尤其是埃及的托勒密王朝。托勒密王朝在亞歷山大城設立了圖書館和博物館，同時建造法羅斯島燈塔，這座燈塔建造於西元前283~282年，以其所在地命名（燈光遠從50公里之外就可看見，還有聲音示警系統供濃霧時使用）。托勒密二世菲拉德爾夫斯（Philadelphus）在位期間，克特西比烏斯（Ctesibius）也是在亞歷山大研究氣動力學（探討氣體、液體與流動物質特性的科學）。

他的著作《評論》（Coommentaries）在亞歷山大圖書館與博物館遭到破壞時（這個事件無疑是人類歷史上最大的文化與科學浩劫），有一部份文件被阿拉伯人救出並加以翻譯，因此得以流傳到現在。他在著作中說明了如何將活塞運用在投石機上。將物品裝上投石機時，活塞會發出巨響、煙霧和火焰。另外，克特西比烏斯還發現了柴油引擎的運作原理，也就是油氣受到壓縮時會發生爆炸。後來他還發明了其他液壓機器，如水鐘、平衡錘活塞、幫浦動力滅火器以及抽水設備等。

克特西比烏斯的成就還包括了製造史上第一具「點頭驢」（抽油泵連動機），以及首先以一組8~10枚簧片來改裝鍵盤，發明了管風琴。他將兩種流體之間（空氣與水）的關係倒轉過來，在無意中發明了以水推動的樂器。他不是以空氣推動水，而是運用水的重量壓縮及推動空氣。以恆定壓力供應空氣的氣槽，可透過一組排笛發出聲音，而且吹奏能力遠比人類更優秀。氣流由活塞幫浦提供，同時藉由水在連通容器中流動時的重量來維持壓力恆定。

拜占庭的斐羅（Philo）是克特西比烏斯的門徒和繼承人，在作品中描述了一系列相當令人驚奇的戰爭機器。他不僅首先提出槓桿理論，還是一位氣動力學專家，並且將氣動力學與大氣和蒸汽壓力結合在一起。他描述了許多依據這些原理製造的自動機，例如會低頭喝水的動物、會唱歌的鳥、自動給水機，甚至全自動的劇場等等。

然而只要一提到達文西，我們就會想到另一位傑出天才，就是西元1世紀時居住在亞歷山大的希羅（Hero），他以極為超乎尋常的方式，預言了數百年後才完全發展出來的科技。希羅撰寫了許多專門論著，而且十分堅持必須在理論和實踐兩方面做好全面的準備，就如達文西所說：「實踐必須建立在堅實的理論基礎之上」（Practice must always be founded on solid theory）、「科學是船長，實踐是水手」（Science is the captain and practice）。

希羅在他的數學和幾何著作（《定義》（Definitiones）、《幾何》（Geonmetria）、《測地術》（Geodaesia）、《體積求法》（Stereometrica）、《測量》（Mensurae）和《量度》（Metrica））中提出許多精巧的體系，用以解決測量問題，並且發明了一種方法，可以計算不完全平方或立方數的平方根或立方根近似值，還發現了依據三角形邊長計算其面積的公式（事實上此公式就稱為「希羅方程式」（Heron’s formula））。

他在光學上的研究成果尤其重要。在以拉丁文版本流傳到後世的《反射》（Catoptrica）中，希羅正確地描述了反射定律。達文西也有許多幾何與光學方面的著作。希羅曾經在《屈光學》（On the Dioptra）中提議，使用一種他發明的經緯儀。另外還在討論天文學的一章中提到，我們可以藉由在兩個城市（羅馬和亞歷山大）觀察到月蝕的時間差異，計算出兩個城市之間的距離。希羅還撰寫了特定學科的專門論著。

《氣動力學》（Pneumatica）一開始先介紹理論，接著說明許多以水壓、蒸汽和壓縮空氣推動的裝置。這部作品充分展現了他的發明才能，內容包含汽轉球（aeolipile）和稱為「希羅泉水」（Heron’s Fountain）的自動給水設備。汽轉球或稱「埃奧洛斯之球」（Aeolus）（希臘神話中的風神），其運作方式為加熱金屬球體中的水，產生壓力，藉以展示熱能如何轉換成機械能。可說是人類史上第一具可實際運作的蒸汽引擎，運作時所藉助的物理原理和現代蒸汽機完全相同。

希羅還留下了製造戰爭機器的專門論著，這件事也和設計了許多進攻和防禦機器的達文西相同。希羅在《自動機》（Automata）一書中描述了，可在整個表演中獨立執行直線或圓形移動的小型劇院。不過，希羅最重要的著作則是目前僅有阿拉伯文譯本留存的《機械學》（Mechancica）。在這本著作中，這位亞歷山大的科學家首先整理機械部分有關理論和實際兩種觀點，認為機器由五種依據槓桿原理運作的簡單機械構成（分別是槓桿、絞盤、滑輪、螺絲和楔子）。

除了針對歐幾里德《幾何原本》（Elements）所寫的《評論》，在希羅留存至今的片段作品中，我們也可看到他對開發水鐘的貢獻。他的發明也因休閒用途而出現在花園中。比較著名的例子有「貓頭鷹噴泉」（Owl Fountain）和「艾菲索斯的阿爾特彌斯」（Artemis of Ephesus）神像。第一款作品是一具會唱歌的塑像，以水和空氣作為動力，可模仿鳥鳴聲。後來這款作品出現了許多添加變化的仿製產品，例如在龐貝城中發現的青銅塑像，不僅有貓頭鷹，還有一棵樹和幾隻鳥。

另外，希羅還在《氣動力學》（Pneumatica）中描述了一座噴泉，這座噴泉的源由可以追溯到皮羅．利戈里奧（Pirro Ligorio）於西元16世紀後半為蒂沃利（Tivoli）的愛斯特別墅（Villa d'Este）製作的噴泉。這個作品的靈感來源，是一座羅馬西元2世紀阿爾特彌斯像的複製品。希羅的聲學發明和成就不僅與劇院有關（也就是「迴聲器」（echoes），其實是將青銅或紅土花瓶放置在樓廳下方當作共鳴箱，用以擴大來自舞台的音響和人聲），還包括由號角、排笛、海螺和各種風琴所產生的各種音樂，風琴種類包括最基本的平台型到克特西比烏斯製作的水力風琴等，其音量足以用於遊行和閱兵。

但在亞歷山大時代累積了豐富的理論與實際經驗之後，經常會有人問到一個問題，就是「機器時代」（machine age）為什麼沒有立即展開，而是等到18世紀才開始？特別是在機械學方面，希臘科學思想已經觸及現代科技的許多必要原理。當時沒有出現機器時代，而機械理論只用於製作精巧的玩具（也就是所謂的「奇珍異玩」），是許多心理、社會與政治因素綜合作用的結果。「機器」被讚譽為天才的產物，主要用途是讓人驚奇與讚嘆，沒有人認為有必要以機械取代人工，因為幾千年來，大量又廉價的奴隸勞動力一向十分充沛。不僅如此，當時也沒有大眾傳播媒體可以散播資訊。一項發明要普及與受到正確運用，必須先讓大眾認識與瞭解。科學發現是以當時需要的步調向前推展。

許多天才超前時代的驚人發明，往往不被當時的人所瞭解，達文西也有相同的問題。歷史往往不斷重複，在距離現在較近的時代，愛因斯坦（Albert Einstein）曾經說過：「傑出的人才永遠會遭遇來自平凡大眾的激烈反對。」（Great spirits have always encountered violent opposition from mediocre minds.）

讓我們從古希臘時代跳躍到幾百年後的阿拉伯世界，看看當時的發展。穆薩（Banu Musa）兄弟於西元8世紀編著的《奇妙裝置》（Ingenious Devices）一書中，有各種自動機的插圖。另外，阿拉伯數學家與工程師加札里（Al-Jazari）於西元1204~1206年的《奇妙機械裝置知識》（Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices）一書中也介紹了這類機器。中國、印度和近東地區也有許多十分奇特的自動機傳說。西元1058年，詩人與神秘學家所羅門．依本．蓋比羅（Solomon Ibn Gabirol）製作了一具擁有女性外型的自動機，因而被指控施行邪術。根據某些人的說法，俗名為熱爾貝．德．奧里亞克（Gerberto d'Aurillac），精通機械與數學的教宗西爾維斯特二世（Sylvester II）發明了在機械鐘錶中十分重要的「擒縱機構」（escapement）。傳說他曾經製作能自己移動的詭異人像和會說話的頭像。

西元12世紀，可能發明「android」（機器人）一詞的大阿爾伯圖斯（Albertus Magnus）據說曾經製作一具「機器僕人」（robot servent），但後來毀於他的著名學生聖托瑪斯阿奎那（St. Thomas Aquinas）手中。到了達文西的時代，大約在1470年，雷喬蒙塔努斯（(Johannes Regiomontanus，又名約翰‧密勒（Johannes Müller））曾經製作一具機械老鷹，在馬克西米連大帝（Emperor Maximilian）造訪紐倫堡時飛上天空問候。

達文西考古學

Da Vinci’s archeology

大家都聽說過達文西這位藝術家、科學家、以及無人能比的奇才。有人說世界上的一切幾乎都是他發明的，包括飛機、自行車和自走車等等。據說他的偉大畫作〈「蒙娜麗莎的微笑」（Mona Lisa）和「最後的晚餐」〉中隱藏著外人難以理解的奧秘……有人這麼說，看來也彷彿如此，但我們真的能確定嗎？

其實，實際情況要來得複雜許多，也和我們經常以過度簡化的方式描述它們時所呈現的「表象」大不相同。這本書適合所有人閱讀，即使是只知道達文西可能曾經發明自行車，但想更深入瞭解的讀者，也能有所收穫。這...

【前言】

知識是世界上最美好的東西

一位努力不懈、永不滿足的完美主義者，著手進行了這麼多不同的計畫，其中有些沒有完成。

瓦薩里（Vasari）在《藝術家列傳》中提到，達文西（Leonardo da Vinci）普受景仰，但也經常遭到誤解。許多年來，他接受委託的繪畫工作先是進度越來越慢（例如〈最後的晚餐〉(the Last Supper)），後來往往半途而廢（例如〈伊甸園中的亞當和夏娃〉(Adam and Eve in the Garden of Eden)、〈安吉里之戰〉(the Battle of Anghiari)、〈梅杜莎頭〉(Head of Medusa)或〈賢者來朝〉(the Adoration of the Magi)等），最後甚至根本沒有動手繪製（例如伊莎貝拉‧德埃斯特（Isabella d'Este）委託的〈聖母〉(the Madonna)和〈基督〉(the Christ)）。

直到19世紀，才有極富慧根的評論家解開這個謎團。

達文西的人生使命是瞭解大自然，他試圖洞察自然的奧秘，以及推論出自然定律。1499年，他將畫筆交給學生，從此躋身科學家之列，致力於解決自然界中層出不窮的問題。歷史學家艾得蒙多‧索爾密（Edmondo Solmi）曾經提到：「1513年，他心中的藝術家死去，科學家隨之誕生，而且非常清楚自己的價值。」但另一方面，由於他表達構想的方式十分特別，所以我們可以說達文西是藝術型的科學家；或者由於他的工作和繪畫的方式，我們也可以說他是科學型的藝術家。其實比較正確的說法應該是，他是藝術家和科學家兩者的融合，而這一點正是達文西與眾不同之處。

14世紀初，在被視為「旁門左道」（beyond the pale）數百年之後，科技再度成為大眾普遍接受的研究主題。從塔可拉（Taccola）開始，工程師間興起一股撰寫圖文並茂專門論著的風氣，例如弗朗切斯科‧迪喬治（Francesco di Giorgio）、喬凡尼‧馮塔納 （Giovanni Fontana）等人的作品，當然還包括其中最重要的達文西。在此之前，技術文字鮮少搭配插圖。運用圖表來說明與傳達構想逐漸普及，是15世紀最重要的創舉。僅僅數十年的時間，描繪機器與複雜機械裝置以及說明其運作方式的固定方式就已建構完成。

達文西在機器繪製藝術上留下不可磨滅的印記，讓這門藝術完全脫離象徵藝術的範疇，成為一種研究工具，用來探討宇宙間最複雜精巧的機械——這個世界。文藝復興時期（Renaissance）的工程師儘管建造了雄偉的大教堂，在社會上卻處於邊緣地位，而且完全被排除在所有中世紀文學作品之外。但在15世紀時，工程師逐漸成為文學作者，最重要的是，歐洲地位最高的貴族十分讚賞他們，而且開始庇護他們。而這個解放過程最重要的結果，就是達文西。

本書的主旨是向達文西致敬，表彰他的科學成就，以及發明了機器人和自動機，也就是不需藉由人力輔助即能自行運作，並且可模仿人或動物動作的機器。這類裝置早在達文西之前就已經出現許久，然而他發揮他的天分，改良了這類機器，不僅令當時的人們十分讚嘆，既使今日看來也都相當令人驚奇。就像本書這類書名中帶有「機器人」的書，經常會讓我們立刻想到達文西發明了許多自動機，然而我們對這些機器一無所知。 　

事實上這些想法都是我們自己創造的，因為我們的想像力十分渴望受到激發。依據目前已知的文件看來，我們可以說達文西確實曾經設計及打造數具機器人。這些自動裝置能執行某些工作、模仿動物的動作，完全不需要人類輔助。儘管我們不能確定達文西是否曾經設計其他自走車或機器人，但確實有明確的證據可以證明。現在我們有草圖、筆記和一些其他觀察者的描述，因此不是虛構的傳說，而是實際存在的東西。無論如何，在接下來的內容中，將有許多東西可以滿足我們的想像。

達文西最重要的目標，就是盡量做到清楚簡潔。達文西在繪製、解釋和展示他的科學發現和設計，以及撰寫文字說明時所秉持的原則，就是簡潔扼要地表達。他在用字遣詞方面的精確習慣，源自於他習慣精確思考，厭惡不夠清晰的事物。因此，連他的機械化和自動化設計方案，

也是以最少的功夫、最精簡的構造獲取最佳的結果為目標，就和大自然本身一樣。「自然界的所有活動都採取最短的可能路徑」（Every natural action is performed in the shortest possible way）。



【後記】

內心深處的小孩

在這本書中，我們「只」（only）探討了三個主題：自走車、機器獅和機器武士。事實上，這本書只研究了現存5000多頁達文西手稿中的5頁。但是在這幾頁中，我們看到了數百具機器和相關的構想，幫助我們發現挖掘和徹底瞭解這些機器人和達文西的設計方法。其他機器人計畫還散見於手稿各處，例如用於製造舞台效果、進行實驗，以及鐘錶……等各種用途的自動機和機器組。因此在發掘達文西真實面貌的漫漫長路上，我們只能算是剛剛起步。我們在這本書中檢視和提出的理論都相當新穎和令人著迷。事實上，那部自走車或許只是一輛用齒輪帶動的拖拉車，獅子可能只是一具機器玩偶，武士或許只是某種盔甲設計。或者，有可能是歷史上第一具可預先設定的機器車、第一具能行走的動物自動機，以及一支機器士兵部隊的基本構想。

一如往常，事實就隱藏在某個地方，但我們永遠不可能知道還有多少東西有待發現。如果我們打算深入探究原稿中的每一個細節，不要忘了，這些原稿的作者在同一時間內畫了〈最後的晚餐〉（The Last Supper）、研究鳥的飛行、提交計畫參與建築比賽、撰寫故事，而且還在史佛薩公爵（Ludovico the Moor）的宮廷演唱和演奏樂器！

雖然不用特意強調，但500年前沒有電、瓦斯、報紙或紀錄片，如果想從稀少又極為昂貴的書籍學習東西，也必須看得懂拉丁文。現在的人沒有時間像達文西一樣觀察、理解大自然以及和自然界互動，可能是因為我們經常在電視機前坐上好幾小時而不動腦筋，也可能是因為我們覺得自己已經掌握了對我們有用的一切事物。

【前言】

知識是世界上最美好的東西

一位努力不懈、永不滿足的完美主義者，著手進行了這麼多不同的計畫，其中有些沒有完成。

瓦薩里（Vasari）在《藝術家列傳》中提到，達文西（Leonardo da Vinci）普受景仰，但也經常遭到誤解。許多年來，他接受委託的繪畫工作先是進度越來越慢（例如〈最後的晚餐〉(the Last Supper)），後來往往半途而廢（例如〈伊甸園中的亞當和夏娃〉(Adam and Eve in the Garden of Eden)、〈安吉里之戰〉(the Battle of Anghiari)、〈梅杜莎頭〉(Head of Medusa)或〈賢者來朝〉(the Adoration of the Magi)等），...

推薦序│Forward
做一個現代的文藝復興人！
～大同大學機械系暨研究所 教授 賴光哲

前言│Preface

緒論│Introduction

第1章＞Chapter 1
自動機與機器人
Automata and robots
介紹達文西時代前後的自動機：從古埃及到第一次世界大戰。

第2章＞Chapter 2
力與機械裝置
Forces and mechanisms
探索《馬德里手稿 I》的內容，是文藝復興時期第一份、也是最完整的機械學專門論著。

第3章＞Chapter 3
自動前進的推車
The sell-propelling cart
科學界從1905年就開始研究達文西這個構想。2005年，第一具可運作的原型機問世，但仍有許多疑問有待探討……

第4章＞Chapter 4
機械雄獅
The mechanical lion
達文西這具自動機設計只有文字說明留存下來，沒有一張草圖。儘管如此，我們還是將它做了出來。

第5章＞Chapter 5
是穿著甲冑的武士，還是機器士兵？
Knight in armor or robot soldier？
《大西洋手稿》中的856r、1077r、1021r和1021v，為我們帶來新的發現。

後記│Afterword

附錄一│Appendix 1
達文西生平

附錄二│Appendix 2
人名索引

附錄三│Appendix 3
參考書目│Bibliography

推薦序│Forward
做一個現代的文藝復興人！
～大同大學機械系暨研究所 教授 賴光哲

前言│Preface

緒論│Introduction

第1章＞Chapter 1
自動機與機器人
Automata and robots
介紹達文西時代前後的自動機：從古埃及到第一次世界大戰。

第2章＞Chapter 2
力與機械裝置
Forces and mechanisms
探索《馬德里手稿 I》的內容，是文藝復興時期第一份、也是最完整的機械學專門論著。

第3章＞Chapter 3
自動前進的推車
The sell-propelling cart
科學界從1905年就開始研究達文西這個構想。2005年，第一具可運作的原型...