【科學哪裡來】控制科技發展史兩三事

文/陳永平(國立交通大學電機系特聘教授)  |2021.02.09
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科學哪裡來

自古以來,人類即藉由機器的創新與發明,來改善周遭的生活環境,這整體過程中所展現的,正是對機器「控制」的優異手段。從技術的觀點來看,控制是一套系統,也是現代科技的一環。從歷史的觀點來看,現代科技的源頭可以回溯至古希臘時代所留下的智慧結晶。在這些智慧結晶當中,最亮眼的非曆法莫屬;此外還有丈量天地的幾何學、思考人生的哲學、養生保健的醫學等,這些前人的智慧,至今仍深遠地影響著現代人的思惟與生活。

在古希臘時代最具影響力的人物當中,首推古希臘七賢之首泰利斯(Thales)。泰利斯在當時已懂得利用影長來丈量埃及金字塔的高度;也曾因準確預言日蝕進而消弭一場戰爭;觀察琥珀摩擦後吸引絨毛的靜電感應現象。由於這些事蹟有具體文字記載,泰利斯被公認為「科學之父」。

控制科技的發展過程概分為4個時期,分別為天然動力時期、機器動力時期、全自動化時期與智慧機器時期。今天先從天然動力時期開始談起,這是一段橫跨約3000年的漫長歲月。

戰爭促進科學發展

在天然動力時期,人們所用來從事生產的輔助動力,主要是獸力、風力與水力等天然資源,大抵上沒有完整的控制「回饋機制」,不過有許多設計概念卻對後世產生深遠的影響。底下就來介紹這個時期的代表性人物,古希臘的阿基米德(Archimedes)。

談到阿基米德,他的一生為世人留下了許多膾炙人口的故事,其中最著名的莫過於他無意間從泡澡中發現了「浮體原理」,進而破解了王冠是否為純金的難題;此外,他曾在埃及遊學期間發明了螺旋式水車,用來汲取低地的河水,這個「阿基米德水車」至今仍然在各地方的科學館中展示。

阿基米德對控制科技的最大貢獻,展現在槓桿原理上,他曾經說過:「只要有適當的支點,我可以橇動地球。」甚至在戰事中將槓桿原理淋漓盡致地應用在兵器的製作上,讓攻城的羅馬軍傷透腦筋。不過令人惋惜的是,城被攻破之後,阿基米德竟然在專注的研究下為羅馬士兵所殺。

透過藝術呈現科學

在西元476年西羅馬帝國滅亡之後,歐洲陷入了千年的黑暗時代,在此時代的科技發展也彷彿停擺,直到14世紀的文藝復興開始,科技才在人文主義的浪潮衝擊下逐漸復甦。幸運的是在這個思想解放的時代,多才多藝的達文西(da Vinci)誕生了,他不僅是一位以「蒙娜麗莎」聞名於世的藝術家,更是一位傑出的科學家,舉凡物理、幾何、工程、建築、解剖、天文、力學等,無不專精,可說是當代集各類才華於一身的萬能學者。

達文西留下了約1萬3000頁的手稿,其中包含了許多與控制科技相關的設計,諸如投石機、機關槍、直升機、降落傘、起重機、坦克車等,這些設計雖然大部分都僅止於紙上記述而未能實際完成,但是對後世的控制科技卻有著啟發式的作用。微創手術系統所使用的手術機器人就是以他為名,稱為「達文西機器手臂」,用來紀念他在科技上的偉大貢獻。

當18世紀瓦特成功改良蒸汽機之後,機器動力最終取代了人力,也正式宣告了「天然動力時期」的結束,緊接其後的則是「機器動力時期」。在這個機器逐漸嶄露頭角的時期,人類啟動了第一波的工業革命,於此同時,控制科技的回饋機制也開始萌芽,請同學拭目以待下周的「科學哪裡來」專欄吧!

(待續)

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