从“变形金刚”到“自变形机器人”

劳永新

《西游记》中的孙悟空会七十二变，这是神话小说，现实世界中有一种玩具“变形金刚”却真的能变。20世纪80年代美国“孩之宝(HASBRO)公司”首先推出第一批战士可以变形为汽车的变形玩具，后来随着《变形金刚》动画片和电影的公映，这类“变形金刚”玩具迅速风靡全球，受到青少年和儿童的推崇。1986年《变形金刚》动画片在中央电视台的黄金时间播出后，在我国京津沪等大中城市的青少年中也掀起了“变形金刚”热，仅“孩之宝公司”就从中国赚取了50亿元。

比较简单的“变形金刚”，例如一个站立着的勇士，凭借他的腿的收缩，腰的转动和头的缩进，手臂的内收等步骤，便可以变形为一辆小汽车，再经过车中部的拉长，车盖的向前翻转及车中部的旋转，又可以变回为一个站立的勇士。除了可变形为汽车外，“变形金刚”还可以变为战车、飞机、直升飞机等等。再复杂的“变形金刚”也都是由许多相同和不同的组块连接后，通过平移、伸缩和折叠等基本动作来改变其外形的，而其组块本身并不变化。

“变形原理”源自于自然界生命和动物的活动，例如鸟类就是靠上下扑打翅膀的变形来飞行的；青蛙靠腿部的蹬水，改变腿的位置和形状来游泳的。1903年12月17日美国莱特兄弟制造的世界上第一台动力飞机就是有活动翅膀的变形飞机。现在不少人正在研制节省能源且安全的扑翼飞机。超音速的喷气式飞机的机翼是固定的，高速飞行时阻力大，因此人们发明了机翼后掠的三角翼飞机以减少激波阻力，但却不利于飞机的升降、起降所需的跑道距离太长。于是又发明了“变翼飞机”，起降时用平直机翼，而高空高速飞行时则变为三角翼，较好地解决了飞机的速度和升力间的矛盾，达到不同飞行阶段采用不同形状机翼来适应不同速度要求的目的。对螺旋桨飞机的速度和升力的矛盾则可以用另一种变形来解决。直升飞机战斗机靠旋转翼的旋转产生升力，可以不用跑道垂直起降，但是此时的飞行速度低，容易成为地面敌人火力的攻击目标。因此美国海军发明了“倾转翼飞机”，飞机起降时，将旋转翼朝上，作直升飞机用，升空转为平飞后，旋转翼转向朝前，作推进螺旋桨用。

通过改变组件或部件的位置来实现变形，这就是“变形”发明原理。常用的变形方法是通过伸缩、嵌套、旋转和平移及折叠。折叠可以缩小产品的存放体积，改善产品的性能或达到多用途的目的，其应用非常广泛。古代中国就有可折叠的屏风：日常生活中常用的有折叠门、伞、眼镜、自行车等等，以及多用的折叠桌椅、婴儿床和沙发床等等。直到高新技术中可折叠的电脑屏幕、键盘和手机等等，还有航天技术中人造卫星和宇宙飞船所用的可折叠太阳能电池板和折叠式抛物面天线。2003年4月美国“勇气号”火星探测器顺利到达火星后，探测器便从折叠状态伸展开来成为“漫游者”机器人，其外形是一个六轮探测车。

常见的变形汽车是轿车和敞篷车的两用车，它有活动顶棚，一按电钮，活动顶棚移开，轿车就变成了敞篷车，再按电钮，顶棚便移回，又变成轿车。还有一种小货箱轿卡车和轿车的两用车，例如“别克LaCrosse”概念车，轿车会自动把天窗后移，而后挡风玻璃和行李舱后盖会前移到原天窗的位置处，同时后座位靠背内的隔离窗垂直升起以隔离乘客舱，便形成小货厢而变成小货箱轿卡车。

把变形原理的概念从纯机械动作扩展到利用电致伸缩等效应，以及从常观的变形扩展到微观的分子变形和原子排列的改变等，都是创新。例如英国伦敦大学的科学实验发明的伞形变形天线，伞形天线的固定杆用镍钛合金丝，通断电流时合金丝会发生伸缩，而且用计算机数字化控制，在接受特定的无线电信号时，就可实现最佳化，提高接收效率达20％。美国西北大学的化学家仿照生物的酶催化时，酶蛋白受“底物”诱导后会变形，变成与“底物”的形状成互补形状的作用原理，发明了含两个锌原子和两个铑原子的环状有机化合物的变形催化剂，可以催化醋酸酐和水的反应生成醋酸。还有在微电子学的芯片技术中采用的“变形硅”技术，改变一层硅材料中原子的排列状态，可以扩展晶体管的电子通道，加快电子的移动速度，减少电阻，降低能耗。

爬行动物蛇会随时变形，蜿蜒地前进，在攻击猎物时又会变形，盘成可紧缩的圆环形状。现在人们已仿照它，发明了各种蛇形机器人用于侦察、探险、排险和救灾。

“自变形机器人”，也称“自重构机器人”，它可以通过自主变形来适应环境和任务的需要，如完成翻越不规则障碍物等任务。以一种模块化的“自变形机器人”为例，它由许多模块构成，每个模块有能源元、驱动元、传感器和控制元，是一个独立的有计算和通讯能力的智能体。模块的中心体是一个正方体，其六个面都可以绕中心体旋转，两个以轴和孔连接的模块又可以进行伸缩平移和相对旋转，所以这种机器人可以自主变形。

目前“变形原理”不仅已经应用于机械、轻工和许多生活产品的发明中，而且已扩展应用到电子、化工和生物等工程领域，它的进一步扩大运用将会带来更多更新的创新发明成果。