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【Dimension】动漫迷的最爱却是工程师最痛苦的梦魇 —《环太平洋》

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【Dimension】动漫迷的最爱却是工程师最痛苦的梦魇 —《环太平洋》

「为了对抗怪兽,我们创造了自己的怪物!」《环太平洋(Pacific Rim)》以压倒性的製作规模撼动人心,巨大怪兽与巨大机器人在百尺高的浪击下进行打斗,战士们踩踏着沈重步伐穿越过主要城市的街道,同时做着像是使用油轮当作球棒的事情!当你看到类似这样的场景时,你的头脑告诉你两件事情:第一,这太可怕了;第二,这不可能会发生的。

面对这两大想法,你可以选择中止你的怀疑、并耐心地等待迎接这个确实无疑地充满乐趣的惊险旅程;或是你可以乾脆一头栽进去钻研为何有些东西是可能的、有些东西却是不可能的,而这也正是接下来一位真实生活中的机械工程师 Eddie Fishel 要与我们讨论的习题,他将以数学的演算论证去窥探关于这巨型机械人的箇中奥祕。

首先,一个关于「贼鸥(Jaegers)」的词语恰好让你对这些巨大东西的规模等级与逻辑学有一个概括性的认知;在《环太平洋》中,每一个国家靠着自己的力量去防卫,每建造出一个巨大的机器人、或称贼鸥机器人,都要由两位战士来驾驶操控,他们的任务就是与那些摧毁城市的巨大怪兽战斗,这些怪兽从深洋底下的异次元裂缝中出现;多数的打斗发生于海域或海域附近,偶尔也会在海中战斗。根据华纳兄弟为《环太平洋》宣传所发行的蓝图,美国版的传奇机甲「吉普赛危机号(Gipsy Danger)」身高为 288 呎、重量则有 7,080 吨,下图应该有助你大概了解它的尺寸大小。

【Dimension】动漫迷的最爱却是工程师最痛苦的梦魇 —《环太平洋》

「吉普赛危机号」的胸膛里内藏着一个核能反应炉,那是大多数动力供应的主要来源,它同时也透过一个液压肌带的複杂系统相互连接,每一个肌带都是由一系列的引擎组来发动,而在「贼鸥」脚上排水口所取得的海水则可以冷却这个反应炉。

以下是一位真实生活的工程师在面对这些资讯时所提出的想法:

1. 举起手臂是个极大挑战

当「贼鸥」机器人挥拳反击 kaiju(电影中的怪兽)时,看起来很不可思议,但其实仅举起其中一支巨大手臂就需要花费惊人的巨大功率,根据 Fishel 的说明,目前没有任何的技术可以像地面一样支撑举起机器人的手臂,同时也不可能去移动它的。

我请求 Fishel 帮我计算需要举起一支手臂所需要的扭矩总量(你知道的,假设有可能的话!),在此一要点上,虽然他仔细地检视演算,但他的解析结果却是如下:

步骤一:计算手臂的长度(根据人类的比例)步骤二:计算手臂的重量

手臂重量 ≈ 从人类的比例看,重量为整个体重的 6%,但是让我们假设这些机器人会塞入更多的重量,那幺应该是手臂重量 ≈ 体重的 10%。

步骤三:计算从肩膀举起手臂所需要的扭矩

假设手臂有统一的质量,支撑手臂起来所需的扭矩就等于在中心作动的重量,再乘以到中心的距离。以此来看,我们称扭矩为 T,以下就是根据我们所知的假设前提下导出的方程式。

那真是相当多的扭矩,而这也可能有助于你了解机器人手臂举起的支撑力道。

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Fishel 指出世界上最速的跑车 Bugatti Veyron 会产生 922 磅-呎的扭矩,同时也提到世界上最大的液压马达则能产出 1,290,734 磅-呎。

因此,他说到:「你需要 88,461 辆的 Bugattis 或超过 63 台的液压马达,才能在肩膀直接地将机器人的手臂支撑起来。」

因此,但愿如果地球被巨大怪兽攻击的那一天,将会是在我们了解如何创造一个电源供应与能够产生较现行技术所能提供之更多的电力的引擎后才到来,否则战争可能会在它开始前就结束了。

2. 他们在海洋里活动是相当困难的

由于平均的海洋深度为 2.65 英哩(14,000 呎),因此这些巨大的玩意儿必须停留在海岸的附近,否则就会完全地沈入水中。引擎需要空气与燃油来运转,因此如果它正在运转引擎去发动液压肌带,它就不能在水中行走、除非它有大量的空气和汽油 / 柴油贮藏箱。接着,再考虑到鹹水腐蚀的影响,有一些程序主要是用来处理金属、让金属在盐雾防鏽试验中能够抗腐蚀长达 500 小时,但是当任何一个机器人在被装运、却没有以从中国所知道的方式去处理金属的腐蚀问题时,它会在到达港口的时后,就覆盖上一层铁鏽。

「任何踏入泥浆的人都可以证明它不能支撑太大的重量,因此我很确定这些巨大的东西将会沈入海洋底下、并摧毁它们所站立的混凝土;明显地,跳跃、跑步或走路也都会增加压力。」

如果你把靠近海岸边的陡坡作为因素计入的话,将更能洽当地说明巨大机器人于海底所面临的处境。以美国金门大桥(Golden Gate Bridge)的附近为例,这座桥在电影预告片中所看到的是被沖刷的;根据潮水来判断,在桥塔附近,深度大约只有 10 或 15 呎,但是如果你通过时,你将很快发现你自己是在旧金山湾(San Francisco Bay)的最深处、在表面底下 377 呎的深层处。

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如果一个「贼鸥」机器人发现它自己在其中一个斜坡上,就会遇到这种在水底下不断地被经过水弯的强烈潮流搅动的软土,而「贼鸥」机器人在站立上会格外地困难,更不用说是要与怪兽打斗了。

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3. 噢!我的膝盖

Fishel 写着:「在机器人中没有可知的材料是能够支撑大量活动所带来的压力、特别是在关节上,试着去想想有多少人都有膝盖和臀部的问题,当我们非常活跃时,这些关节在人类体中承受着巨大的压力。高强度的钢合金拥有 760 兆帕(MPa)的最大强度,而碳纤维则拥有 6,370 兆帕的最大强度;但是如果一个机器人要拳击一只怪兽,跳跃与跑动所创造出的重力加速度(G力)是相当大的数目,计算这些数值是相当令人困惑的(不同于我曾经在大学做过的那些方程式),我们为 10G 的承重负荷而製作(地心引力的 10 倍),而对于机器人来说,那可是超过 1.4 亿磅的重量,只要大概地了解之后,那幺钢铁所需要的厚度大约为 3 呎(请不要引用这些说法,因为我并不能很确信地说)。」

在与一位真实生活的工程师谈论之后,究竟真正得到的是什幺?就像你所期待的,一个可运行的「贼鸥」机器人在真实世界物理学中是无法真正地支撑运转的。但是不要把这些当做是它们不能存在的理由,而是要把这些看作是对下一世代善意着想的理由,为热衷于此的傻瓜找到一个理由前进大学,进而克服极端抗张压力、受限的电源供应、以及让一个 7,080 吨的机器人在任何困境中都能游移自如等问题。然后,也许有一天,我们孙子的孙子将有权利与机会看到其中一只人造怪兽摧毁城市街区。

孩子们,就这样保有伟大的梦想吧!

(文章来源:Business Insider)

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