【Dimension】動漫迷的最愛卻是工程師最痛苦的夢魘 —《環太平洋》

作者 | 發布日期 2013 年 07 月 25 日 12:30 | 分類 尖端科技 , 機器人
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「為了對抗怪獸,我們創造了自己的怪物!」《環太平洋(Pacific Rim)》以壓倒性的製作規模撼動人心,巨大怪獸與巨大機器人在百尺高的浪擊下進行打鬥,戰士們踩踏著沈重步伐穿越過主要城市的街道,同時做著像是使用油輪當作球棒的事情!當你看到類似這樣的場景時,你的頭腦告訴你兩件事情:第一,這太可怕了第二,這不可能會發生的




面對這兩大想法,你可以選擇中止你的懷疑、並耐心地等待迎接這個確實無疑地充滿樂趣的驚險旅程;或是你可以乾脆一頭栽進去鑽研為何有些東西是可能的、有些東西卻是不可能的,而這也正是接下來一位真實生活中的機械工程師 Eddie Fishel 要與我們討論的習題,他將以數學的演算論證去窺探關於這巨型機械人的箇中奧祕。

首先,一個關於「賊鷗(Jaegers)」的詞語恰好讓你對這些巨大東西的規模等級與邏輯學有一個概括性的認知;在《環太平洋》中,每一個國家靠著自己的力量去防衛,每建造出一個巨大的機器人、或稱賊鷗機器人,都要由兩位戰士來駕駛操控,他們的任務就是與那些摧毀城市的巨大怪獸戰鬥,這些怪獸從深洋底下的異次元裂縫中出現;多數的打鬥發生於海域或海域附近,偶爾也會在海中戰鬥。根據華納兄弟為《環太平洋》宣傳所發行的藍圖,美國版的傳奇機甲「吉普賽危機號(Gipsy Danger)」身高為 288 呎、重量則有 7,080 噸,下圖應該有助你大概瞭解它的尺寸大小。

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「吉普賽危機號」的胸膛裡內藏著一個核能反應爐,那是大多數動力供應的主要來源,它同時也透過一個液壓肌帶的複雜系統相互連接,每一個肌帶都是由一系列的引擎組來發動,而在「賊鷗」腳上排水口所取得的海水則可以冷卻這個反應爐。

以下是一位真實生活的工程師在面對這些資訊時所提出的想法:

1. 舉起手臂是個極大挑戰

當「賊鷗」機器人揮拳反擊 kaiju(電影中的怪獸)時,看起來很不可思議,但其實僅舉起其中一支巨大手臂就需要花費驚人的巨大功率,根據 Fishel 的說明,目前沒有任何的技術可以像地面一樣支撐舉起機器人的手臂,同時也不可能去移動它的。

我請求 Fishel 幫我計算需要舉起一支手臂所需要的扭矩總量(你知道的,假設有可能的話!),在此一要點上,雖然他仔細地檢視演算,但他的解析結果卻是如下:

步驟一:計算手臂的長度(根據人類的比例)

手臂長度 ≈ 高度的40%

288 • 0.4 = 115.2 呎(ft)

步驟二:計算手臂的重量

手臂重量 ≈ 從人類的比例看,重量為整個體重的 6%,但是讓我們假設這些機器人會塞入更多的重量,那麼應該是手臂重量 ≈ 體重的 10%。

7,080 噸 • 0.1 = 708 噸,或是等於 1,416,000 磅

步驟三:計算從肩膀舉起手臂所需要的扭矩

假設手臂有統一的質量,支撐手臂起來所需的扭矩就等於在中心作動的重量,再乘以到中心的距離。以此來看,我們稱扭矩為 T,以下就是根據我們所知的假設前提下導出的方程式。

T = (115.2/2) • 1,416,000 = 81,561,600磅-呎(lb-ft)

那真是相當多的扭矩,而這也可能有助於你瞭解機器人手臂舉起的支撐力道。

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Fishel 指出世界上最速的跑車 Bugatti Veyron 會產生 922 磅-呎的扭矩,同時也提到世界上最大的液壓馬達則能產出 1,290,734 磅-呎。

因此,他說到:「你需要 88,461 輛的 Bugattis 或超過 63 台的液壓馬達,才能在肩膀直接地將機器人的手臂支撐起來。」

因此,但願如果地球被巨大怪獸攻擊的那一天,將會是在我們瞭解如何創造一個電源供應與能夠產生較現行技術所能提供之更多的電力的引擎後才到來,否則戰爭可能會在它開始前就結束了。

 

2. 他們在海洋裡活動是相當困難的

由於平均的海洋深度為 2.65 英哩(14,000 呎),因此這些巨大的玩意兒必須停留在海岸的附近,否則就會完全地沈入水中。引擎需要空氣與燃油來運轉,因此如果它正在運轉引擎去發動液壓肌帶,它就不能在水中行走、除非它有大量的空氣和汽油 / 柴油貯藏箱。接著,再考慮到鹹水腐蝕的影響,有一些程序主要是用來處理金屬、讓金屬在鹽霧防鏽試驗中能夠抗腐蝕長達 500 小時,但是當任何一個機器人在被裝運、卻沒有以從中國所知道的方式去處理金屬的腐蝕問題時,它會在到達港口的時後,就覆蓋上一層鐵鏽。

「任何踏入泥漿的人都可以證明它不能支撐太大的重量,因此我很確定這些巨大的東西將會沈入海洋底下、並摧毀它們所站立的混凝土;明顯地,跳躍、跑步或走路也都會增加壓力。」

如果你把靠近海岸邊的陡坡作為因素計入的話,將更能洽當地說明巨大機器人於海底所面臨的處境。以美國金門大橋(Golden Gate Bridge)的附近為例,這座橋在電影預告片中所看到的是被沖刷的;根據潮水來判斷,在橋塔附近,深度大約只有 10 或 15 呎,但是如果你通過時,你將很快發現你自己是在舊金山灣(San Francisco Bay)的最深處、在表面底下 377 呎的深層處。

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如果一個「賊鷗」機器人發現它自己在其中一個斜坡上,就會遇到這種在水底下不斷地被經過水彎的強烈潮流攪動的軟土,而「賊鷗」機器人在站立上會格外地困難,更不用說是要與怪獸打鬥了。

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3. 噢!我的膝蓋

Fishel 寫著:「在機器人中沒有可知的材料是能夠支撐大量活動所帶來的壓力、特別是在關節上,試著去想想有多少人都有膝蓋和臀部的問題,當我們非常活躍時,這些關節在人類體中承受著巨大的壓力。高強度的鋼合金擁有 760 兆帕(MPa)的最大強度,而碳纖維則擁有 6,370 兆帕的最大強度;但是如果一個機器人要拳擊一隻怪獸,跳躍與跑動所創造出的重力加速度(G力)是相當大的數目,計算這些數值是相當令人困惑的(不同於我曾經在大學做過的那些方程式),我們為 10G 的承重負荷而製作(地心引力的 10 倍),而對於機器人來說,那可是超過 1.4 億磅的重量,只要大概地瞭解之後,那麼鋼鐵所需要的厚度大約為 3 呎(請不要引用這些說法,因為我並不能很確信地說)。」

在與一位真實生活的工程師談論之後,究竟真正得到的是什麼?就像你所期待的,一個可運行的「賊鷗」機器人在真實世界物理學中是無法真正地支撐運轉的。但是不要把這些當做是它們不能存在的理由,而是要把這些看作是對下一世代善意著想的理由,為熱衷於此的傻瓜找到一個理由前進大學,進而克服極端抗張壓力、受限的電源供應、以及讓一個 7,080 噸的機器人在任何困境中都能游移自如等問題。然後,也許有一天,我們孫子的孫子將有權利與機會看到其中一隻人造怪獸摧毀城市街區。

孩子們,就這樣保有偉大的夢想吧!

(文章來源:Business Insider

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