STEAM｜為何機械人懂得「絕世武功」？從科學角度解構背後原理｜星島教室
發佈時間：15:00 2026-04-25 HKT
不知道大家有沒有看到今年內地春節聯歡晚會的表演呢？當中有一班很出色的「機械人表演員」，它們不需要人手遙控，而且零失誤地完成了雙節棍武術、武術、跳躍及翻筋斗等高難度動作！究竟這些「馬年機械人」，是靠甚麼做到好像李小龍一樣這麼靈活呢？今日我們就從科學角度，拆解它們的「武功秘笈」！
類似生物構造
就在一年前，人形機械人亦曾於春節聯歡晚會表演，當時的機械人只能行走及揮動手帕跳起舞來。但短短一年後，這些機械人已能完成複雜動作，而且流暢度非常高，可跳躍、使用道具，更可與人類演員同台演出。其實機械人的構造與其他生物相似，需要「骨骼」、「肌肉」及「大腦」來協調完成所有動作，就好像人類。
骨骼：堅固輕盈的「盔甲」
表演所用的機械人需要堅固但輕盈的「骨骼」。骨骼必須能承受跳躍落地及翻筋斗時產生的衝擊力。為此，研發人員選用航空級鋁合金來製作機械人的支架，既輕盈又堅固；再加上碳纖維來加固框架。而關節部分則採用鈦金屬，特別是腿部，因為它是需要承受巨大力量的關節。選用了輕盈而堅固的物料，讓機械人能夠靈活活動而不會輕易損壞。
肌肉：力大無窮「執行器」
機械人有多種類型的「肌肉」，每種都有其用途。「液壓系統」利用流體的推拉運動來移動重物；「氣壓系統」則使用壓縮空氣讓機械人快速移動。
春晚表演中的機械人則採用「電動執行器」，透過馬達將電能轉換為機械運動。機械人可透過改變供應給馬達的電量來調整速度，透過改變電量就可調整揮拳速度，就好像我們調整風扇時，電多些便可以轉得快，電少些便會轉得慢一些。協調所有馬達後，機械人就能完成複雜動作，例如雙節棍套路或向後翻身的跳躍等。
大腦：「ZMP零力矩點」平衡
機械人的「大腦」，就像我們常用的電腦，透過高效能處理器協調全身動作，並適應各種不同場景。然而，相比硬件而言，更為重要的是要協助機械人完成動作協調的軟件設計。
傾覆力矩
首先，機械人須向人類武術專家學習動作，武術專家穿戴布滿標記點的特製服裝，追蹤相關動作。這個過程並非簡單錄製影片，而是捕捉動作的核心精髓，為機械人建立屬於自身的動作學習素材。但練習武術與日常行走存在差異，進行複雜武術動作時，平衡至為關鍵：揮舞長棍時重心會發生轉移，機械人亦須單腳站立完成踢腿動作，就連春晚表演中，機械人亦可順利完成翻筋斗、跳躍等高難度動作，可見平衡對其重要性。
那麼機械人究竟如何保持平衡？可用一個更簡單的日常例子說明：大家日常在地面站立，雙腳所覆蓋的範圍，就相當於機械人的「安全區」。只要身體重心保持在雙腳範圍之內，人就不會容易跌倒；若大幅向前傾身，重心超出雙腳範圍，就會有向前仆倒的可能，這個時候便會產生「傾覆力矩」。這種「重心偏移導致傾倒」的現象，正是「零力矩點」（Zero Moment Point，簡稱ZMP）的概念。
掌控「安全區」
ZMP（零力矩點），就是地面上一個特定位置，當機械人的重心對着這個點時，機械入的重力和動作產生的力加起來，都不會令它傾斜或旋轉。簡單來說，只要機械人將ZMP控制在自己的「安全區」（就好似人的雙腳範圍）內，就不會跌倒。為了做到這個效果，機械人會依靠程式實時調整肢體，抵消它出拳或踢腿時，帶來的重心偏移。
新式機械人不再做一些死板重複動作，因此會用模型預測控制技術，提前估計動作的影響，即時作出調整——例如，系統計算到手臂移動會令重心偏移，就會在50毫秒內調整站姿。另外，機械人配備的陀螺儀、加速規等感應設備，就好像它們的「眼睛和耳朵」，幫助「大腦」實時掌握周圍環境及自身姿態，確保平衡。
機械人表演中流暢的動作，展現了未來機械人的無限可能。更重要的是，未來機械人將會主動為人類承擔各式危險任務，代替我們深入高危環境，從而保障人類的生命安全，包括：在危險環境中執行搜救任務、協助長者行動與日常生活的輔助機械人等。期待來年春晚的舞台上，機械人能再創奇蹟。
小思考，大智慧
- 機械人有沒有指紋？
- 史上首個「機械人」與鴿子有關？
參考答案
- 機械人沒有真正的指紋。我們人類的指紋是天生獨有、可以用來識別身份的皮膚紋理。然而，有些機械人確實有「類指紋」，會在「手掌」設計類似指紋的凹凸紋路，一方面可以增加摩擦力，方便穩穩抓住物體、避免滑落；另一方面亦可以用來區分不同機械人、對接配件，這就是機械人專屬的「類指紋」了。
- 早在電子科技出現之前，約公元前350年，希臘數學家塔倫圖姆的阿基塔斯（Archytas of Tarentum）製造了一隻以蒸汽驅動的木製鴿子，能夠飛行。他將鴿子固定在線或樞軸上，注入蒸汽後，便能「飛」越空中。這被視為歷史上首個有文獻記載的「自動機器」（Automaton）。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：中華基督教會基灣小學（愛蝶灣）副校長郭宇田、中華基督教會基灣小學（愛蝶灣）資訊科技科科主任何松享
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