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來做《變形金剛》:兼具汽車功能與人形變形二重性之實體化可能及機構分析

■ 前言

《變形金剛》作品起源於 1970 年代的玩具與漫畫,但真正在世界掀起一陣旋風的是 2007 年麥可貝導演利用先進的特效拍攝真人版電影後,將變形金剛們與現實世界實際存在的交通工具做結合引發轟動,而我也是深受感動當時入坑。

《變形金剛》系列電影雖然沒有太大的變化,但依然是科幻片中極具影響力的代表作,除了帥氣的名車之外,其充滿速度感與機械感的「變形過程」更是讓我為此瘋狂。以前只是覺得變形很帥,但現在讓我更感興趣的是用慢速播放來觀察變形時每個汽車的零件是如何轉化、收納或展開成機器人,漸漸地發現其實這些過程並不是毫無邏輯的絢麗特效這麼簡單!

之前我以為變形只不過是個特效,但當我開始收集變形金剛仿真模型時才發現,像是 Leader class 最高等級的模型,是真的能將所有機器人型態的部件隱藏進仿真的車體之中,而展開出的機器人型態也能塑造出與電影中高達九成的相似度,著實令人嘆為觀止。

剛好我的專業也是動力機械工程,也因此讓我不禁想探討現今的科技是否有能力將模型的概念套用在實體汽車上,同時讓汽車依然保有原本的功能,並且再以現實的機構設計、能源供應以及自動控制等方面來討論機械實體化的可行性。

 

模型設計的巧思、分級與類型

首先先介紹一下有關變形金剛模型的分級,大致可依據模型的大小與變形的複雜程度分為:「Ultimate Class」、「Leader Class」、「Voyager Class」、「Deluxe Class」、「Commander Class」五個層級。

等級越高仿真度也就越高,甚至細微零件都十分精密細緻不馬虎,U 級系列至今發行的非常少,少到近乎已從市場上消失,所以一般皆以 L 級作為等級劃分,其仿真複雜程度能與電影實況高達九成以上的相似度,當然其價格差也是各級距間最大的,基本上 L 級的發行價格約坐落在 NT$2000(塑料版)~10000(合金版)左右,本文以現實交通工具探討,故所提及的討論對象皆採用 L 級。

另外則是發行模型的廠商,廠商可分為官方、第三方兩類。主要設計源自於官方,通常第三方則是發行放大版復刻或是配件包居多,但近年來第三方仿造技術越來越好甚至會在原設計上加入不同巧思,因此市面上甚至已經出現第三方模型價格高於原官方價格。

一般常提及的官方廠商有:TF 夢工廠、Studio Series、孩之寶(HASBRO)的 MPM、LT 等系列,他們差別在於每個官方在設計變形的轉換零件與步驟各有千秋,我自己實際比較一番後覺得:孩之寶 MPM、LT 等系列的變形化過程最接近電影的狀況。

此外順帶一提有關第三方廠商,像是威將、黑曼巴、博克等等,其推出放大版、合金版本都也非常有名,若想多了解認識的讀者,都可上網搜尋了解一下喔。

 

變成人形:基本的變形架構邏輯

變形金剛模型在車輛載具與人形化變形之間,設計者所運用的巧思千變萬化,但仔細觀察便能發現在主架構設計上仍有部分規律類型可循:這些較為通用的主設計概念之所以能被設為一個參考依循範本,與車體載具和人形化型態的骨架有關,以人形化時其頭部、手臂、手掌、骨盆、腿膝軀幹、腳掌以及胸腹部分等七項做主題劃分討論各部分與車體載具元件的相互轉換關係,據我個人的觀察可分為下列數種:

◐ 頭部

頭部變形是每款變形金剛模型較為統一的型態,由於為了講求頭雕細緻程度能仿效比擬電影實況,所以頭部本體多為一體成形,而收納方式則主要有兩種變形模式:

其一為隱藏於車體的駕駛艙位置,使用觸發彈出的方式展開,但這種模式通常會對應胸腹部分為一體化設計無大改造的型態,例如:柯博文、御天至尊、天火。另一種則為彎折藏於車體前方引擎蓋底部,例如:大黃蜂、密卡登。

◐ 手臂

一般手臂的關節會比較多,收納時會盡可能讓上臂與下臂做最大化的彎曲摺疊,甚至會近乎重疊,大多收納在車體前方引擎,與頭部一起做收納,但少數有些會收納在車尾,與腳的位置互換,

但此種並不多見,目前看過的是 Studio Series 的油罐車密卡登採用這種設計。而手臂旁的墊肩以及鎧甲則由輪胎附近的板金做造型分塊配置,具有畫龍點睛之效。

◐ 手掌

手掌的變形主要有三種:第一種,藏於手臂中,這種的前臂會設計成中空,將手掌握拳之後收進去,再利用排氣孔蓋蓋起遮擋,例如:柯博文。

第二種,與前述手臂一併折疊藏於前段車體下方。

第三種則是手掌能與武器做變形。(普通官方版本的手掌都製作成 4+1 指的組合,但有些第三方公司會推出五指分離且可自由活動的靈活關節手供玩家做替換,我自己就買了一組替換收藏櫃裡合金版的 LT 柯博文,不得不說儘管只是小細節,也會為整體觀賞度增加許多分數與耐看性喔。)

 

◐ 胸腹部分

這是組合最複雜最多元的部分,也可以說是能決定一個變形金剛能否達成後面章節所討論的實體化可能的關鍵點,我們一樣先介紹它的種類,我大致分類成四種類型:

第一種是最為複雜的,使用「不斷內收折疊」的原理,從車體的擋風玻璃到車頂的鈑金件,一層一層的分塊並對摺,折到一個相當厚實的厚度作為變形金剛的胸肌,而腹部則由一塊薄殼(刻有細緻的機械風格)蓋上,最具代表性的就是消防車御天至尊。

第二種則是在模型展開後,中心會存在一個較大較核心的原件,一般會順便將其設計為音效的喇叭本體,再將車頂或車門部件一一組合搭建出胸腔,例如:柯博文。

第三種,車體前段引擎部分一體化未做分解,直接下放至適當位置,由車頭燈做為胸肌刻劃,我想這種類型想必有許多人都非常有印象,因為其最具代表者就是雪弗蘭大黃蜂。

第四種並不常見,也是最偷工減料不切實際的做法,但近年來官方為了簡化變形步驟,降低難度而衍伸出的設計,但我個人覺得這已經失去了變形金剛最吸引玩家的特色,這部分我會在最後的心得感想再討論。

此款的設計很單純,就是指刻畫出一個漂亮的薄殼,直接覆蓋做表面樣子,但此種的模型整體重量非常的輕,因為都是用薄殼做外觀而已,不得不說這種的設計,官方竟將其歸類在 L 級,著實有損 L 級的品質。例如:Studio Series 的油罐車密卡登。

◐ 骨盆

為了配合腳的配置,骨盆的設計分成兩種,若腳是採用像手臂的多次摺疊收納方式,此款的骨盆大多來自車底盤差速器部件,會設計成能夠讓人形化的變形金剛模型具有 360 度轉腰的功能,例如:大黃蜂。

但若腳的配置是保持直線軀幹的特質,則會使用一種「片狀卡榫」的疊合,因為這種型態的變形金剛在車體載具時是以一種類似瑜珈坐姿向前傾 90 度趴下的方式,為了要讓其站立起來,連結處採用交疊的卡榫,但其缺點就是無法具有靈活的腰部功能,例如:柯博文。

◐ 腿膝軀幹

大多設計皆收納於車體後半部後車廂包含其底盤,大致分成三種類型:

第一種,與前部分提到的手臂相同,具有不輸給手臂的關節數量,一樣多層摺疊的方式,通常轎車型態的會採用這種收納模式,將汽車的屁股對分成兩半,各收一腳,例如:大黃蜂、鐵皮。

第二種,與人類的雙腳較相似,分成兩截,仍保有偏直線的軀幹型態,但由於較長一些,一般會收納在整個車體的底部,甚至會有小腿設計成盒狀可開合的方式,能將手臂再塞入小腿中空空間內,例如:御天至尊。

第三種,與前述提及的手臂置於車尾的呼應,此款將腳部置於車頭,但又為了使腳部有足夠的重量與重心能支撐整體模型重量,因此採用層層折疊的方式來使腿部便行為更粗壯,但相對會犧牲該模型的身高,因此此款式的模型較為嬌小,比例拿捏也較特殊,更不用提實體化的可能,幾乎是不可能辦到。

◐ 腳掌

腳掌樣式並不多樣,主要分為兩種,一種是整片式,為本身車型載具參考大型車的變形金剛皆使用這種,另一種則是像人類的鞋子,但會附帶一個支撐輔助的小角可展開使支撐形成三點著地更穩定。

 

■ 模型設計實體化的可能性和潛在問題因素

既然理想模型已經能將人形化的型態幾乎完美隱藏於車體載具之內,這便代表著理論上若能將實體車載具做適當的劃分拆解,應也能仿造如同模型一般的設計,但…事實上絕不可能如此簡單,為甚麼呢?

從最直觀角度而言,我們把玩於掌中的模型,如今若變成一台貨真價實的全金屬製造車子,光重量就是數千倍以上的提升,而在這樣一個重量下的承載機構又該如何達到穩定平衡狀態呢?

以及若欲想如同電影般的自動變型機器人型態又關乎控制系統、程式設計以及電路配置的問題,最後亦還須考量動力所需的能源,欲支撐起如此龐大的機械結構,光是啟動變形的能源就十分可觀,更何談運作層面,因此本章節將從上述這五大角度切入來探討實體化的可能以及其需要面對的挑戰。

◐ 機構設計問題

從前面第一章節所介紹有關現今模型已經具有十分優秀的轉換變形巧思,幾乎能完美將人形化結構收納隱藏在車體載具內,但在這之前有一個非常重要的前提,為了完善這些變形,必須要犧牲外殼的一體性結構,目前的汽車除了車門部分,其餘部分的板金部件都是使用衝壓一體成形;

而骨架部分也為了整體剛性所需,使用了眾多的螺絲與焊接方式組合。為了達到變形,第一件事就必須先克服如何「將汽車的外框架適當拆解做配置,並且在重新組合時能具有極佳的接合氣密性」,若辦不到這最基礎的要求,那不僅車體會看起來分崩離析,無防水功能的保護外殼一旦讓水氣進入機械元件內部,再厲害的機械也只能停擺。但這部分的問題鑑於目前車門的設計,若妥善規畫還算是能解決的問題。

然而「魔鬼往往藏在細節裡」,實際設計的時候,真正潛在問題是振動因素!自然界的萬物都存在著所謂的自然頻率,當分崩離析的結構在汽車運作時,除了本身因為外界影響造成的自身振動問題,更嚴重甚至會發生共振,一旦產生集體共振現象,只要一瞬間的時間,所有的機械部件都將會解體!

從歷史上許多強風斷橋事件中便可看出共振現象的恐怖,當外界的頻率與物體的自然頻率一致時,振幅將會以數倍能量釋放而出,一舉瓦解該物體。因此「解決分離結構導致的振動問題」是機構設計方面第一大挑戰。

接著討論有關在其它例如四肢結構的收納下保有汽車的使用功能,汽車的輪胎倆倆之間都是有聯繫並且有差速器等結構,但從模型之中可發現輪子都被拆開分離平均分配在雙手或雙腳機構上,若想保有現今方向盤操控的方式,那勢必得在人形化變形上做調整;

而若想保有人形時的輪子平均分配樣貌,那問題就比較困難了,必須要改動汽車基本的方向操作機構,傳統機械式的方式是最穩定且完善的方式,若犧牲此方式,似乎只能憑藉電腦控制來幫忙補償並驅動,但這會衍伸許多問題,移除直觀的機械式操控也是挑戰了汽車的本質,「輪胎配置與轉向機構新設計之安全問題」是第二挑戰。

至於四肢的收納我認為這是能透過空間規劃來解決的,因為現今汽車是講求輕量化,結構中還有許多空間可做利用,雖然會因此使整體重量倍增,但在功能性的權衡之下,這樣的犧牲是必須且可接受的。

 

◐ 結構重心問題

汽車本身是一個整體結構團結的組成,並無太大質量分配不均等重心問題,但當展開成人形化時,質量將往四面八方展開,尤其站立的問題,人類為了讓現有的人形機器人成功站立並穩健邁出第一步這是非常困難的事情,

在科技發展下為了完成這艱鉅的任務花費多年的時間,由此可知要讓一個機器人做到人類一個簡單的跨步動作是如此的困難,更何況我們想驅動的是一個變形後高度高達 2、3 層樓高的大型機器人,整體的機構重心掌握勢必是一項艱鉅的任務,因此「掌握機構重心、成功站立行走」為第三大挑戰。

再進一步的說,儘管抓到其重心之後,還需要能夠掌控並調整!人類是一個非常複雜的生命體,我們不論如何跑跳,腦袋連同身體所有神經中樞都能極快地為我們調整來適應外界的變化(人類的平衡真的很神奇),但欲讓機器人擁有人類如此迅速調節的神經中樞是非常困難的,不僅要有許多感測器與致動器搭配控制系統以及機械結構做平衡,絕對是一個曠日費時的待解難題。

◐ 動力來源和能源消耗比

如同汽車這麼大的實體要變形,想必不可能再是人工執行變形動作,但要自動化的拖動這些上百公斤以及支撐上噸的重量,所需要的能源十分可觀,傳統汽車的油箱肯定遠遠不足,若想維持使用燃油的發電機引擎,所需的燃料可能都得比本身體積還多,這樣不但增加整體重量與體積,還會排放更多的汙染,燃燒的效率遠遠不足以供應運作的使用。

因此「解決動力能源問題」則為第四個瓶頸與挑戰,目前最有效解決該能源問題的方法是如電影中每個變形金剛都自帶一顆可源源不絕自產能量的核心,但是永動機違反熱力學定律不可能實現,

先不提動漫的虛構能源,以現有能源而言最能快速被應用的是核能,但核分裂本身便存在許多爭議議題,不論是其危險性還是對生命體造成的損害都待討論商議,而最適合的或許是核融合,

但現今科技依然無法掌控這個足以改變世界的能源技術,還是只能依靠合分裂而來的核能,然而既已知其釋放的輻射有害人體,我們是不可能會想在每天開的交通工具上加裝一個輻射源的,由此可知能源的問題也是現今科技技術尚且無法 support 支持的。

◐ 變形控制操作系統配置與設計

有機構、有能源,但一個機器要能運作,就需要有電路的配置與控制系統的設計,就如同人不可能只有骨骼與肌肉卻沒有神經系統,沒有統整下指令的中樞,不論是人還是機器,都將只是一個空有皮囊的傀儡,

從模型變形的步驟中可以發現,變形過程的先後順序是非常重要的,錯誤的變形順序會導致干涉情形,若有裝置感測器以及預防系統,或許還能在干涉發生前停止動作,但若沒有設置任何感測裝置,機器一旦接收指令便會徹底完成,此時若有干涉狀況,將導致機器自毀機體,這是非常危險的。

所以除了要有複雜但詳盡的電路配置架構之外,還需要有一套良好的控制系統,準確的傳達指令以及避開不必要的危險因子,這是一個浩大的工程,但我認為還不至於是現今科技無法完成的任務,畢竟像是現今的工具機、智慧工廠等,都已經運用到非常複雜的電子電路、控制系統和物聯網網絡了呢!

◐ AI 和機器人模組化

AI與上述提及的IOT物聯網,是現今科技世代最夯的兩個指標代名詞,剛剛也有提及,人類的大腦與神經網絡是非常複雜且神奇的,隨著科技的進步,人類所發展出的程式語言也逐漸邁入了下一階段,利用程式與網絡發展出一套仿造人類大腦思考的網絡系統,也模仿人類透過學習得以進化成長的模式來使電腦自我學習,這便是所謂的AIOT,人工智慧的學習功能加上物聯網快速蒐集DATA數據的能力,讓機器學會自我學習修正的能力。然而若想達到具有電影中變形金剛的智慧程度,以目前科技而言,我們還有一大段路要走,這也是另一個漫長的待解課題與挑戰呢。

■ 結論

從上述篇章的討論中,可以歸納出一個結論,想將變形金剛模型實體化這個任務,以現今科技技術的能力還是稍顯不足的,實際上我們要面對的挑戰絕不僅只有上篇章節提到的那五個問題,許多問題都是環環相扣,而隨著每解決每探討一項,也還會衍伸出其它的問題,想如理想般的實體化它,在近十年或許依然有所難度,但我相信這也並非天方夜譚,隨著科學家與工程師們互相深入研究探討研發,科技日新月異的變遷進化,在未來的某一天,會真正出現了如此大型可變形的機器人。

雖然在發展的同時我們也是矛盾的,我們往往既希望這種高智慧的科技產物能誕生,卻也會害怕它的存在,就如同電影的內容所影射的,人工智能的成功是一個跨世紀的轉捩點卻也是一個隱憂,雖然目前機器人還僅只有學習與應對能力,仍然缺乏下判斷的能力,只是光是前兩項能力已經讓機器人在許多計算上遠遠超越人類,未來若全面開發成完全體,人類的定位又將何去何從,也將牽連到所謂的科技倫理範疇,都值得再做探討。

我覺得變形金剛的存在就像是一個未來科技的指標,從我第一次接觸到變形金剛的模型之後,我不禁讚嘆,究竟是甚麼樣的神級大腦創作者,竟能設計出如此巧思的模型,如果對於科幻電影以及動手組裝有興趣的同好們,千萬不能錯過變形金剛的模型,我個人非常私心推薦收藏 L 級的模型,

一個模型每一次的轉換變形都是一種欣賞、享受,還記得我第一次將柯博文從人形變成車體,足足花了我三個小時的時間,每一個零件的收納變形都是一門藝術,組裝玩模型後再去找對映的電影重看一次,每到變形橋段時瞪大眼睛觀察,會發現意料之外的彩蛋,原來電影裡的變形並非毫無依據,每個機械元件的轉動與位移都令我不禁起了雞皮疙瘩,無不感到無比的震撼。

一直很想將這份興趣與喜悅分享予他人,但周遭同為變形金剛迷的朋友少之又少,因此很開心藉由這次的報告機會讓我仔細的構思了一番並揮灑了這篇自己對玩模型至今的一份憧憬,寫得很過癮,也希望藉此讓更多人認識這偉大的科幻片經典之作以極其迷人之處!


本文是我們於清華大學學程課程討論作業的成果之一。透過作品主題與問題的提出,加以解釋與觀察,提供學生作為觀看者、參與者與評論者的一種練習與嘗試,也與我們推廣的「輕學術」有相連結之處。我們希望透過這種方式,讓學生遊玩觀賞自己喜歡的作品,並得以有機會以較長篇幅的方式來討論與寫作,進而獲得練習的機會。

本文作者|清華大學動力機械系 林佑信
編輯| U-ACG 編輯

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