STEAM｜为何机械人懂得「绝世武功」？从科学角度解构背后原理｜星岛教室
发布时间：15:00 2026-04-25 HKT
不知道大家有没有看到今年内地春节联欢晚会的表演呢？当中有一班很出色的「机械人表演员」，它们不需要人手遥控，而且零失误地完成了双节棍武术、武术、跳跃及翻筋斗等高难度动作！究竟这些「马年机械人」，是靠甚么做到好像李小龙一样这么灵活呢？今日我们就从科学角度，拆解它们的「武功秘笈」！
类似生物构造
就在一年前，人形机械人亦曾于春节联欢晚会表演，当时的机械人只能行走及挥动手帕跳起舞来。但短短一年后，这些机械人已能完成复杂动作，而且流畅度非常高，可跳跃、使用道具，更可与人类演员同台演出。其实机械人的构造与其他生物相似，需要「骨骼」、「肌肉」及「大脑」来协调完成所有动作，就好像人类。
骨骼：坚固轻盈的「盔甲」
表演所用的机械人需要坚固但轻盈的「骨骼」。骨骼必须能承受跳跃落地及翻筋斗时产生的冲击力。为此，研发人员选用航空级铝合金来制作机械人的支架，既轻盈又坚固；再加上碳纤维来加固框架。而关节部分则采用钛金属，特别是腿部，因为它是需要承受巨大力量的关节。选用了轻盈而坚固的物料，让机械人能够灵活活动而不会轻易损坏。
肌肉：力大无穷「执行器」
机械人有多种类型的「肌肉」，每种都有其用途。「液压系统」利用流体的推拉运动来移动重物；「气压系统」则使用压缩空气让机械人快速移动。
春晚表演中的机械人则采用「电动执行器」，透过马达将电能转换为机械运动。机械人可透过改变供应给马达的电量来调整速度，透过改变电量就可调整挥拳速度，就好像我们调整风扇时，电多些便可以转得快，电少些便会转得慢一些。协调所有马达后，机械人就能完成复杂动作，例如双节棍套路或向后翻身的跳跃等。
大脑：「ZMP零力矩点」平衡
机械人的「大脑」，就像我们常用的电脑，透过高效能处理器协调全身动作，并适应各种不同场景。然而，相比硬件而言，更为重要的是要协助机械人完成动作协调的软件设计。
倾覆力矩
首先，机械人须向人类武术专家学习动作，武术专家穿戴布满标记点的特制服装，追踪相关动作。这个过程并非简单录制影片，而是捕捉动作的核心精髓，为机械人建立属于自身的动作学习素材。但练习武术与日常行走存在差异，进行复杂武术动作时，平衡至为关键：挥舞长棍时重心会发生转移，机械人亦须单脚站立完成踢腿动作，就连春晚表演中，机械人亦可顺利完成翻筋斗、跳跃等高难度动作，可见平衡对其重要性。
那么机械人究竟如何保持平衡？可用一个更简单的日常例子说明：大家日常在地面站立，双脚所覆盖的范围，就相当于机械人的「安全区」。只要身体重心保持在双脚范围之内，人就不会容易跌倒；若大幅向前倾身，重心超出双脚范围，就会有向前仆倒的可能，这个时候便会产生「倾覆力矩」。这种「重心偏移导致倾倒」的现象，正是「零力矩点」（Zero Moment Point，简称ZMP）的概念。
掌控「安全区」
ZMP（零力矩点），就是地面上一个特定位置，当机械人的重心对着这个点时，机械入的重力和动作产生的力加起来，都不会令它倾斜或旋转。简单来说，只要机械人将ZMP控制在自己的「安全区」（就好似人的双脚范围）内，就不会跌倒。为了做到这个效果，机械人会依靠程式实时调整肢体，抵消它出拳或踢腿时，带来的重心偏移。
新式机械人不再做一些死板重复动作，因此会用模型预测控制技术，提前估计动作的影响，即时作出调整——例如，系统计算到手臂移动会令重心偏移，就会在50毫秒内调整站姿。另外，机械人配备的陀螺仪、加速规等感应设备，就好像它们的「眼睛和耳朵」，帮助「大脑」实时掌握周围环境及自身姿态，确保平衡。
机械人表演中流畅的动作，展现了未来机械人的无限可能。更重要的是，未来机械人将会主动为人类承担各式危险任务，代替我们深入高危环境，从而保障人类的生命安全，包括：在危险环境中执行搜救任务、协助长者行动与日常生活的辅助机械人等。期待来年春晚的舞台上，机械人能再创奇迹。
小思考，大智慧
- 机械人有没有指纹？
- 史上首个「机械人」与鸽子有关？
参考答案
- 机械人没有真正的指纹。我们人类的指纹是天生独有、可以用来识别身份的皮肤纹理。然而，有些机械人确实有「类指纹」，会在「手掌」设计类似指纹的凹凸纹路，一方面可以增加摩擦力，方便稳稳抓住物体、避免滑落；另一方面亦可以用来区分不同机械人、对接配件，这就是机械人专属的「类指纹」了。
- 早在电子科技出现之前，约公元前350年，希腊数学家塔伦图姆的阿基塔斯（Archytas of Tarentum）制造了一只以蒸汽驱动的木制鸽子，能够飞行。他将鸽子固定在线或枢轴上，注入蒸汽后，便能「飞」越空中。这被视为历史上首个有文献记载的「自动机器」（Automaton）。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）副校长郭宇田、中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）资讯科技科科主任何松享
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