14世纪开始的文艺复兴不仅带来了文艺的飞速发展，也推动了科学技术发展。在机械领域，达·芬奇、伽利略、欧拉等科学家开始了零星的理论研究。欧洲钟表业拉开了近代机械制造业的序幕。1687年牛顿建立了经典力学理论，为机械运动分析和动力分析奠定了理论基础[67]。这一时期“机器人”逐步从古代幻想和笔记记录中走出来，更多的理性设计注入其中，出现了许多影响后世的机器人原型。

1.达·芬奇与“机器人”

莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）不仅是天才画家、雕塑家，而且也是杰出的机械工程师。达·芬奇长达1万多页的手稿（现存约6000多页）至今仍在影响科学研究，被称为一部15世纪科学技术真正的百科全书[1]。

（1）达·芬奇设计的军事器械

最有名的是装甲车（Armored Car）和机关枪（Machine Gun）。达·芬奇设计的装甲车由人力推动，表面覆盖层层金属板，其金属缝隙可以使得意大利士兵在用武器射击目标的同时避免遭受敌人炮火的袭击，其手稿图如图2.13a所示，复制品如图2.13b所示。在400年后的第一次世界大战期间，装甲坦克成为逆转战争的关键武器。

图2.13　达·芬奇设计的装甲车

达·芬奇也设计了多种机关枪，其手稿如图2.14a所示。一种是多向机关枪，配有呈扇形排开的枪管，它们既能独立发射，也能同步操作，如图2.14b所示。机关枪下设有车轮，可根据敌军位置自由移动。士兵更可调校背后的曲柄，以改变飞弹的高度和轨迹。另一种是有三层弹壳管的机关枪，如图2.14c所示。这部机关枪有30支枪管，分三行安装在旋转框架上。当最上一行的十支枪管发射后，第二行枪管便会立即上弹，同时最底层也开始冷却。达·芬奇设计了数款具备多个炮管的武器，以提升发射频率，它们也成为现代机关枪的前身。

图2.14　达·芬奇设计的机关枪

达·芬奇设计的武器均没有制造出来，但都对当时武器进行了改进，成为未来战场上的利器。在一定程度上，他所设计的武器并没有实现自动化，但其精巧的机械结构为后世新型武器问世提供了灵感来源。

（2）达·芬奇设计的飞行器

1505年，达·芬奇撰写了一份手稿，后被命名为《鸟类飞行手稿》，有数以百计的日记条目写到了人类和鸟类的飞行，精心勾勒了仿照鸟类和蝙蝠解剖骨骼的飞行器。仿生学的概念已经理性化地存在于达·芬奇的脑海之中。

图2.15a为达·芬奇设计的扑翼飞机，左右两翼像鸟儿的翅膀，是仿生小鸟翅膀的，尾翼与两翼简单连接。莱特兄弟（Wright Brothers）制造的双翼飞机就借鉴了达·芬奇的设计。它还模仿鸟类和蝙蝠的解剖骨骼结构设计了一款飞行器，如图2.15b所示。1493年他还绘制了直升机的草图，他提出用一个旋转的螺旋状机翼，将直升机带向天空，如图2.15c所示。达·芬奇注释：如果这个装置是做成螺丝的形状，并以亚麻布为材料，再用淀粉糊将布料中的洞堵死，当它高速转动的时候，应该能螺旋式地升上天空。

尽管达·芬奇的设计中没有提到动力源的问题，但他对飞翔的向往，以及对鸟类飞行特点和身体结构的深入研究为飞机设计提供了科学的认识。

图2.15　达·芬奇设计的飞行器

（3）达·芬奇的“机器人”设计

达·芬奇对人体骨骼、肌肉、关节以及内脏器官进行了精确了解和绘制。在1495年，达·芬奇在手稿中绘制了西方文明世界的第一款“人形机器人”，如图2.16a所示。达·芬奇赋予了这个“机器人”木头、皮革和金属的外壳，用下部的齿轮作为驱动装置，由此通过两个机械杆的齿轮再与胸部的一个圆盘齿轮咬合，“机器人”的胳膊就可以挥舞，可以坐或者站立。再通过一个传动杆与头部相连，头部就可以转动甚至开合下颌。500多年后，意大利佛罗伦萨市“泰克诺艺术”公司的工程师们根据《大西洋古抄本》和其他手稿，耗时15年，终于根据其中的16到20张设计草图复制出达·芬奇500多年前的发明——“机器武士”，如图2.16b所示[2]。

图2.16　达·芬奇设计的机器武士

注②：资料来源：http://it.sohu.com/20100526/n272352116.shtml。

NASA机器人专家马克·罗塞姆（Mark Rosheim）花了五年时间重现了达·芬奇的骑士“Anthrobot”，并用钢铁制作了达·芬奇素描画中男性骨架的全部运动关节，找到了一种实现手腕全部动作的方法，为机器人拥有灵巧双手打下了基石[3]。除此而外，达·芬奇还设计过能够自由漫步的机器狮。

达·芬奇认为不同机器有诸多共同元件，如滑轮、链条、小齿轮、弹簧、轴承及减震器等，指出机器数量可以无限，但所用部件却有限。解析元件基本原理，任何运动都可能实现[4]。后来发展起来的机械设计、机械原理等课程都是用来解析元件的基本原理的。同时，达·芬奇相信自动化是一门哲学，涉及人类解剖学、机械学和运动学等多学科知识，称达·芬奇是自动化先驱也不为过[68]。

2.16世纪以后的“机器人”

达·芬奇之后，1540年意大利发明家Gianello Torriano制作了可以演奏曼陀林的“女机器人”，如图2.17a所示。这个“美女机器人”可为当时人们提供简单的娱乐，现陈列在维也纳艺术史博物馆中。

图2.17　16世纪的美女机器人和机械修道士[5]

大约十年后，1560年左右，发明家兼钟表师Juanelo Turriano发明了机械修道士，如图2.17b所示。机械修道士高约15英寸，它的动力装置包括一圈圈的弹簧、铁制的凸轮和控制杆，还有隐藏在斗篷下的三个用于移动的小轮子。他能在四方形的范围内行走，有节奏地点头并时不时地举起右手敲打胸口，举起和放下左手将木质十字架和念珠戴到另一只手上，同时，他不时地把十字架带到他的唇边并亲吻它。这个人形机械装置看上去栩栩如生，像真正的修道士在虔诚地祈祷一样。机械修道士至今仍被陈列在华盛顿的史密森尼博物馆，而且它的所有功能完好无损[6]。

1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊（Jaques de Vaucanson）发明了一只机器鸭，如图2.18a所示。它会嘎嘎叫、游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。瓦克逊还发明了一个能吹口哨的机械，其核心部件是一个滚轮，与现在音乐盒相似，示意图如图2.18b所示。

图2.18　18世纪瓦克逊发明和报时鸟

1770年，美国科学家发明了一种报时鸟，如图2.18c所示。一到整点，这种鸟的翅膀、头和喙便开始运动，同时发出叫声，它的主弹簧驱动齿轮转动，使活塞压缩空气而发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀、头运动。

18世纪的欧洲工匠师们（尤其是钟表匠）制作了许多机械玩偶。其中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯（Pierre Jaquet Droz[7]），他将自己毕生专研数学和机械所获得的知识传授给他的儿子亨利·路易·杰克·道罗斯（Henri Louis Jaquet Droz）以及徒弟简·弗莱德瑞·勒索特（Jean Frederic Leschot），三个人一同创作出了历史上最著名的三个机械人偶：作家、画家和音乐家（如图2.19所示）。

图2.19　瑞士博物馆中保存自动玩偶[8]

1768年他首先制造了“作家”人偶机器人，这个机器人高约两英尺。“作家”利用的主要是凸轮技术，凸轮随动机构根据不同凸轮让机器男孩的手臂做出各种动作。凸轮不仅控制男孩的每一次落笔，同时也精确地控制鹅毛笔在墨水瓶中蘸取墨水和下笔力度。“作家”内部配有纯手工制作的6000多个零件，理论上由凸轮控制的飞轮包含所有标点符号和字母（事先编程好的40个字母），可以以任意顺序排列组合，进而在纸上流畅地写出所有单词。

“作家”诞生之后，道罗斯与他的儿子和徒弟，基于同样的原理，一同制造了另外两个“机器人”。“画家”可画出四副不同的肖像画：丘比特驾驭着由一只蝴蝶拉着战车的情景、路易斯国王十五世、一只狗在空白处写着“Montoutou”（我的小狗）以及王室夫妇。“画家”也利用凸轮系统二维编码手部动作，使手部操控铅笔。同时，这个男孩可在椅子上移动，并且可定期清除笔上灰尘。

最后一个“人偶机器人”是个女孩——“音乐家”，她可以用风琴演奏5种不同的歌曲。她像一个专门定制的由手指按压琴键的仪器。每个“机器人”的眼睛都会随着动作的变化而移动，同时，“音乐家”的胸部还可以随着演奏时的呼吸而起伏，就如一个真正的演奏家的姿态一样。这三个著名的人偶在历经西班牙等不同博物馆的收藏后，瑞士的纳沙泰尔博物馆于1906年获得瑞士政府补助将其购回，目前状态完好如初，已成为该馆的镇馆之宝，并定期展示。

道罗斯师徒的杰作很有可能在18世纪末就伴随着钟表被传入中国，前面述及的两广总督为乾隆贺寿就制作了一个可以写“万寿无疆”的“写字机器人”。

与欧洲自动玩偶类似，日本在江户时代（1603—1867年）也出现了利用钟表原理制作的机器玩偶。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。18世纪，若井源大卫门和源信改进并制造了端茶玩偶；田中久重设计了日本自动装置偶人的最高杰作——射箭童子，如图2.20所示。

图2.20　射箭童子[9]

1769年匈牙利人冯·肯佩伦（Wolfgang Von Kempelen）建造了“土耳其机器人”，它由一个枫木箱子和箱子后面的人形傀儡组成。它能自动而快速地下象棋，用复杂的齿轮和杠杆系统来移动棋子。肯佩伦带着它在欧洲各地表演，并战胜了当时的国际象棋高手。但在几年之后，这个骗局最终被揭穿：“机器人”之所以会下棋是因为箱子里藏着一个象棋大师。

14～18世纪的文艺复兴期间，“机器人”已经被理性地设计和制造出来，尤其以达·芬奇的天才设计和钟表师们精巧的制作，推动了自动机械装置大量涌现和快速发展。这一时期，欧洲记载的“机器人”已经非常丰富，而且多由专业人士记载描述[10]，很多被留存下来或者可以复制，真实度较高。伴随着18世纪中叶出现的第一次工业革命，大规模工厂代替个体手工工场，预示着“机器”时代的到来。“机器人”也从“随心创意”和“巧匠心思”中剥离出来，逐步走向工业应用。

[1] 资料来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_67b364ab0102wcdr.html。

[2] 资料来源：http://it.sohu.com/20100526/n272352116.shtml。

[3] 资料来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1566563930481119&wfr=spider&for=pc。

[4] 佚名. 达芬奇与机 器人 [J]. 机器人技术与应用，1998(6):12-13.

[5] 图片来源：https://www.leiphone.com/news/201605/KAlZbVempeCghQwh.html。

[6] 资料来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1566563930481119&wfr=spider&for=pc。

[7] JaquetDroz 是瑞士最古老的钟表品牌之一，拥有 300 多年历史。

[8] 图片来源：http://www.sohu.com/a/24491767_188442。

[9] 图片来源：http://info.toys.hc360.com/2008/02/28083866446.shtml。

[10] 这与中国文献记载方式有着本质区别，中国多由文人而非专业工匠记录。