机械设计基础：美术与逻辑思维的结合

想到机器，首先就会想到达·芬奇。

根据达·芬奇的科学手稿《大西洋古抄本》中的设计草图和其他手稿，意大利佛罗伦萨市“泰克诺艺术”公司的工程师们耗时15年，根据其中的16～20张设计草图，于2010年复制出了达·芬奇500多年前的发明——“机器武士”（图1.2.1）。“机器武士”靠风能或水力驱动。2010年5月，“机器武士”和其他达·芬奇的神奇发明在澳大利亚悉尼市政厅内首次展出。

中世纪的机械设计几乎都是从手画草图开始的，新机械的构想从草图中涌现，最初是用滑轮将重物提升的装置，然后发展到千斤顶，那个时代就几乎画出了现代社会才有的令人吃惊的机构，尽管还没有出现人造的动力源。

20世纪50年代，人们在达·芬奇留下的上百件设计草图和蓝图中，发现了一项关于挑战发明机器人的历史记载，发明中的内容极尽详细地描绘了一个看起来像骑士的机器人的内部结构。而这个可能是达·芬奇在1495年完成的设计（图1.2.2），被人们称为“达·芬奇机器人”。

图1.2.1 达·芬奇机器人模型

图1.2.2 仿制的达·芬奇机器人

在达·芬奇留下的设计草图中，该机器人被设计成一个骑士的模样，身穿德国-意大利式的中世纪盔甲。明显地，它可以做出一些动作，包括坐起、摆动双手、摇头及张开嘴巴。就如维特鲁威人一样，此机器人也是达·芬奇在解剖研究方面有关人体比例的部分成果。

达·芬奇不仅是一位伟大的艺术家（图1.2.3），也痴迷于机械和其他自然科学，他的很多超越时代的观念改变了世界。

在他那个时代，他“发明”出许多令人匪夷所思的“现代科技”，其中包括自行车、潜水呼吸器、悬挂式滑翔机、降落伞、潜水艇、军用坦克、飞行机器甚至机器人的模型。

图1.2.3 达·芬奇自画像

然而，达·芬奇的多数“发明”只停留在图纸上，这些设计草图后来大多被编进了达·芬奇的科学手稿《大西洋古抄本》。后世科学家一直试图根据达·芬奇故乡的达·芬奇博物馆收藏的《大西洋古抄本》中的草图复制出一些达·芬奇的发明。身为左撇子的达·芬奇，一生中都以镜像写字。对左手写作者来说，将羽毛笔由右向左拉过来写比由左向右推过去写容易，而且不会将刚写好的字弄糊。但这样的书写习惯却给后人解读他的手稿带来了诸多困难。直到17世纪，才有人开始解读这些结合了大量笔记和绘图的手稿。而且，人们发现达·芬奇的许多发明都暗藏“缺陷”，从而使这些发明即使被复制出来，也无法派上用场。研究人员相信，这显然是达·芬奇“刻意为之”，一是保护自己的“知识产权”，二是担心被用于战争目的。

达·芬奇创作的名画《蒙娜丽莎》不朽于世，绘画大师的特长，发明与创新的能力，证明了达·芬奇有更发达的右脑思维，给后人留下了许多科学技术遗产。

机械设计的基础，首先是人，机械和脑科学的研究密切不可分。众所周知，在建筑和土木工程系的高考科目中有加试美术的内容，建筑和土木工程的外形美，要通过绘画来完成预想图。如今，更为复杂的机械设计，包括了工业设计、人体工程学、机器人等，不会绘画何来更好的空间想象力，也不能体现工业造型美，机械设计的基础之一是美术，中世纪的机械设计几乎都是从手画草图开始的，新机械的构想从草图中涌现，会画画才会画草图，会用画来表达，才会有达·芬奇留下的上百件设计草图和蓝图。

现代脑科学研究成果证明，美术的功底和右脑发达程度有关，人的左脑主要从事逻辑思维，右脑主要从事形象思维，是创造力的源泉，是艺术和经验学习的中枢，右脑的存储量是左脑的100万倍。然而现实生活中95%的人，仅仅只是使用了自己的左脑。科学家们指出，终其一生，大多数人只运用了大脑的3%～4%，其余的都蕴藏在右脑的潜意识之中，这是一个多么令人吃惊和遗憾的事实！人的大脑蕴藏着极大的潜能，这种潜能至今还“沉睡”着，所以深入挖掘人脑左右两半球的智能区非常重要，而大脑潜能的开发重在右脑的开发。(www.xing528.com)

身为左撇子的达·芬奇，一生中左手是右脑指挥的，右脑经常使用，供血旺盛，会不会因此而使右脑潜能得以发挥，形象思维能力过人？机械和脑科学的研究有没有关注过这个左撇子问题呢？

为了机械设计的基础，创新者应多关注美术，多去美术馆，活跃右脑思维。

机械设计的基础当然不能没有左脑的逻辑思维，左脑教育同样重要。我们下面还会讨论脑科学，这里请允许我们把话题转入原动机历史的内容。

19世纪中期的第一次工业革命，普及了蒸汽机和由蒸汽机驱动的机械，接着，1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机即内燃机。

电动机的发展历史更早，1820年，丹麦物理学家奥斯特（Oersted）发现了电流在磁场中受机械力的作用，即电流的磁效应。1821年，英国科学家法拉第（Faraday）总结了载流体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。

1824年，阿拉果（Arago）发现了旋转磁场，为交流感应电动机的发明奠定了基础。当时阿拉果（Arago）转动一个悬挂着的磁针，在磁针外围环绕一个金属圆环，以研究磁针旋转时圆环所起的阻尼作用，这就是首次利用机械力所产生的旋转磁场。

1825年，发现了阿拉果旋转现象，根据作用力和反作用力的原理，利用外绕金属圆环的旋转，阿拉果使悬挂的磁针得到一定的偏转，这个现象实质上就是以后多相感应电动机的工作基础。

1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并发明了单极直流电动机。

1970年，美国GATTYS公司发明了机床用直流力矩伺服电动机，从此各国数控机床开始大量采用直流伺服电动机驱动。

而带有编码器的交流伺服电动机的普遍推广，在日本是1990年才开始的事情。

机械的运动和功率控制系统最初从瓦特的调速机构的反馈功能开始，接着是传感器，电气控制回路，直到电子计算机控制，发展到机械系统。虽然现在的机构通过电动机直接驱动和控制，特别是电子计算机控制，机械做各种动作的自由度大大增加，但是作为机械设计的基础的机构设计，如何优化设计出更方便使用、更好性能的机构，即使是现在仍然是重要的课题。特别是由人操作的机械和人们的生活直接有关，方便操作使用和与人的和谐协调的要求更加明确化。

写原动机历史的内容，目的是想说明一个事实：地球上的生物是从无到有，到一代又一代进化，适者生存，品种改良的速度越来越快，进化在收敛。人类制造工具（机械）的过程就是人类进化的延伸，也是从无到有，到一代又一代进化，越做越好，革新改良的速度越来越快，进化也在收敛。就是说，理解进化是机械设计最基本的基础之一。

原动机有进化历史，能源有进化历史，所有的东西都有进化历史，学习进化历史才能看清进化方向，机械设计的基础必须随机应变。至少应该了解自己在做的机械设计的进化方向，动态和环境变化，标准和要求变化，在随波逐流之中顺应历史潮流者昌也。

比如我们下面要讨论的机构的功能，在基本设计、详细设计和零部件设计中，就要把握设计的大方向，虽然，我们承认进化是在克服错误的过程中的推进，但主动进化要比被动试错为好，切忌盲目设计。

机械设计的最基本的基础，还有对机械机构的基本功能的认识，即对机械机构的目标的确认。