真人密室逃脱游戏中的机电设计解析

黄 逸

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210023）

1.引言

压力无时无刻地困扰着我们，我们所要面对的压力或多或少，而合法的娱乐场所，也就成为了高压人群减负的去处。真人密室逃脱游戏，在近几年来逐渐走进了人们的视野，它也是众多有空闲时间的人民选择的娱乐项目。密室逃脱游戏一般由三个及以上相对封闭的房间组成，每个房间都有一定数量的机关谜题，玩家在游戏中扮演一个“探索者”，他们需要在有限的时间内寻找线索并且解开谜题，只有解开当前房间的谜题，才可以通往下一个房间。当所有房间的谜题都解开，玩家也就可以“逃离”这个密室了，游戏就成功通关。在这其中便会出现一些机械结构与电气元件，以提升游戏本身的机关趣味性、多样性和复杂性。为此，本文将从密室逃脱的常用的机械结构和电子元件来展开讨论这些机关。

2.真人密室逃脱游戏的组成

2.1 真人密室逃脱游戏的剧情

在真人密室逃脱游戏中最为基础的部分便是剧情了，一个好的剧情可以吸引顾客前来游玩，剧情同时也是一整个密室逃脱游戏的线索来源，一个好的线索可以给异想天开的设计师提供好的设计方案。剧情可以说是密室逃脱中的骨架，它密室逃脱游戏的基础。

2.2 真人密室逃脱游戏的环境

一个好的环境可以给玩家一个好的氛围，优化玩家的游玩体验，给玩家一种身临其境的感觉。真人密室逃脱游戏的环境一般由灯光、声音、温度、装饰物和空间结构组成，它们会最大限度地还原剧情中所出现的场景，同时它们也有可能会为玩家提供线索以推进玩家的游戏进度。

2.3 真人密室逃脱游戏的机关

机关是真人密室逃脱游戏中核心，破解机关所设计的谜题就是密室逃脱的核心玩法，同时机关的设计与布置也是最让玩家期待的部分。在密室逃脱中，机关是必不可少的，它是玩家与密室互动的唯一通道。机关的外表看似复杂，实际其内部所涉及的机械原理与控制原理并不复杂。

3.真人密室逃脱游戏的机关浅析

3.1 玩家与密室房间的互动流程

当玩家进入到密室逃脱的房间中，用流程图便可以很简易地标出来。如图1玩家密室互动流程图所示，玩家在密室房间中的基本活动过程，而在这个流程中，大部分的执行元件就是简单的机械结构与电子元件。最为直观的就是传感器可以用来判断“答案是否正确”，然后把反馈信号传交给机关中的机械结构，由机械进行执行下一步的操作。玩家也可以通过声音来判定自己给出的答案是否正确。

图1 玩家密室互动流程图

当玩家解答完房间的所有谜题以后，并且没有任何错误，通往下一个房间的门才会打开，这个房间的解密就结束了。传递玩家的答案一般使用传感器，通过不一样的传感器可以把声、光、力甚至是热转化成电信号，传输给数字电路，其中在密室逃脱中实现判断“答案是否正确”这一过程通过数字电路实现，数字电路可以通过电平的高低实现是非的判断。

3.2 简单的机械机关结构解析

对于一些简单的机械，设计起来并不复杂，成本也并不是非常的高。就武侠电视剧里的寻宝元素为例也可以通过简单的机械结构实现，而“寻宝”也可以成为一个密室逃脱的主题。

图2 机械结构简图

图2是一个简单的机械结构简图（电动机、减速器、齿轮齿条没有标注），上方粗实线部分是挡板，可以挡住视线，玩家便发现不了目标物体，但是当玩家破解谜题成功之后，传感器发出信号，两边的滑块通过连杆连接遮挡板，电动机通过减速器连接齿轮齿条可以使滑块向下运动，从而打开遮挡板。当挡板完全打开之后，底部的滑块由两边向中间移动，又通过连杆机构，把物品所在的平面往上托举，当下方滑块十分接近的时候，上方的目标物体便可以呈现在玩家的面前。

这个简单的机械结构，在许多的机械密室逃脱十分常见，而它的作用机理也并不难。

3.3 常用于设计的简单机械结构浅析

3.3.1 齿轮机构

在许多的密室空间中运动以及力的传递往往会成为驱动整个谜题的关键，以一个齿轮为例，在机械设计领域，齿轮机构是应用最为广泛的一种传动机构。它们具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点[3]。齿轮可以稳定的传递力和速度，因此在真人密室逃脱游戏中，谜题的设计涉及到需要同步而且稳定地传递功率的情况，可以考虑以齿轮为主的轮系结构。而齿轮精准的传动比为设计谜题也提供了可能，纯机械保险箱上的密码锁便是最为直接的体现，降低了谜题被玩家解出但是机关失灵的可能性，也是间接了保证了密室机关的稳定性。而对于齿轮的制造和安装精度要求高的缺点[3]，由于密室对精度要求相对与其他设计领域而言要低，而且可以通过3D打印得到齿轮，成本不会过高。

图3 轮系简图

如图3轮系简图所示，这也是常用于密室逃脱的机构，C齿轮是一个固定的内啮合齿轮，B是一个复合齿轮，可以与E齿轮内啮合齿轮同时也可以与D齿轮外啮合，A是一个外啮合齿轮，它们的圆心都是I且圆心固定，D、E的圆心分别在两个刚性直杆上，而D、E上都搭载着传感器（图上没有标注），玩家需要转动D轮所连的直杆，当D轮开始转动的时候E轮也会随之运动，当D、E齿轮共线的时候或D、E轮均到达指定位置，传感器才会发出信号，该机关才算破解成功。齿轮有精准的传动比和传递运动的特点，可以帮助此类机关设置谜题。

3.3.2 连杆机构

还有一种就是在机械领域中经常使用到的连杆机构。它的运动副元素为面接触，压强较小，承载能力较大，润滑性好，磨损小，加工容易制造，而且连杆机构中的低副一般是几何封闭的，对保证工作的可靠性有利[3]。连杆的这一特点也给密室谜题的设计降低了成本，也保证了密室机关的寿命。在连杆机构中，原动件运动规律不变的情况下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不一样的运动规律，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的[3]。因为密室逃脱机关的多样性可以提升整个密室谜题的丰富度，而众多机械密室会选择连杆机构作为纯机械谜题的主体，这是由于连杆机构的形式多样化。

图4 连杆简图

当连杆之间的相对长度不发生变化的时候，它们的运动轨迹也会发生变化，如图4连杆简图所示，当4号杆固定时，机构为曲柄摇杆机构，当1号杆固定时，机构为双曲柄机构，当3号杆固定时，为双摇杆机构。因此连杆的设计是多样化的，固定不一样的杆件，改变其中一杆件的长度或者把连杆的某一个连接点焊死，一点点的改变都可能让连杆机构的运动轨迹发生不一样的变化。因此连杆机构同样也可以应用到密室逃脱的机关中去。但是连杆近似实现给定的运动规律或运动轨迹，设计起来比较复杂，其工作效率比较低，而且容易发生自锁，在平面做复杂运动和做往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，因此它常用于低速场合[7]。

3.3.3 凸轮机构

还有一种机构在密室中也会出现它的身影，那就是凸轮机构，凸轮机构的最大特点是只要适当地设计出凸轮的轮廓线，就可以使推杆得到各种预期的规律，而且响应快速，机构简单紧凑。因此凸轮机构不可能被数控、电控等装置完全代替[3]。这一特点使得机械机关的复杂度和趣味度上升了一个档次。

图5 凸轮机构

图五是最为常见的凸轮机构，凸轮的形状可以自行设计，它可以按照预先所设计的轮廓转化成对应的直线或曲线规律，因此它有一定的不可替代性。

3.4 常用于设计的简单电子元件浅析

在真人密室逃脱游戏中，电是必不可少的，而将电的作用体现得淋漓尽致的媒介，就是各种电子元件，其中LED所产生的视觉效果，可以让密室的氛围为之改变。在这里我们将解析其他可以充当解密机关的简单电子元件。

3.4.1 DSP芯片

最为常见的就是DSP芯片，经常出现在真人密室逃脱游戏中的系统便是DSP的运动机关控制系统。运动控制系统机关是密室逃脱机关群中最重要的执行机构，当玩家成功按照逻辑定义完成游戏指定操作，前端传感器触发将信号传递给MCU，MCU解算，并使能DSP控制标志位，驱动运动机构执行伺服工作，基于时序关系精准控制某一个物体运动到特定位置或打开一道门。其中伺服控制原理是对机械运动部件位置、速度、力矩等特定逻辑和运行规律的运动手段[4]。真人密室逃脱通常有三四个有联系的房间组成，而每一个房间中大约有三四个谜题，当玩家把房间中的谜题解决以后，就要开门，通过门进入下一个的房间，而实现谜题解答完毕到打开门这一过程的处理需要交给DSP芯片进行处理，而DSP面向硬件的编程方式完美继承纯硬件电路高速高可靠性的特[4]，这些优点可以大幅度减少机关失控的可能性，同时也延长了机电机关的寿命。

3.4.2 PLC

要谈论到真人密室逃脱游戏中的数字解谜元素，就要谈到PLC了。PLC对于连接计算机和机械这两种技术起到了重要作用。PLC中文名字为“可编程序控制器”，采用了CPU、存储器等外部设备，而且结合了电源的设计[5]。PLC在密室逃脱中都可以看到它的身影，最为常见的就是简易的电子密码锁。PLC因为其重量轻、质量优、使用安装便捷的特点，在许多密室逃脱机关谜题设计的过程中会经常见到它。它有强大的抗干扰能力与自我检测能力，这使得在密室逃脱游戏中解密系统的可靠性和寿命得到大大提升。

4.结语

机电一体化是现在机械制造行业的流水线，其中汽车生产的流水线、数控车床的大幅度应用，可以大大提高生产力，提高制造的精度。而在娱乐减压行业中，真人密室逃脱游戏中多处会应用到机电，简单的纯剧情密室逃脱，有很好的沉浸式体验，但是缺乏了与剧情互动的机制，而以机电为基础设计的谜题，给予了剧情与玩家互动的可能。齿轮精密的传动特性，可以提高密室的可靠性，连杆的多样化提高了密室机关的丰富度，DSP和PLC作为电元件可以让密室的整体运作具有一定的规律性。

综上所述，简易的机电构造可以提高真人密室逃脱游戏的可玩性、多样性以及可靠性，机电一体化已经是多方面地应用在密室中，它的存在让很多谜题的设计方案得到了实现，从而使得密室的机关得到了到多方面的丰富。