1、 机器人的时代正在来临今天，机器人已经广为人知，成为现代化社会中一个不可缺少的部分，是现代高科技的产物。机器人正在脚步匆匆地走进人类的生活，在家庭、工厂、大街和商店，甚至在天空、宇宙、海底和矿井，都有它们的身影。机器人，这个字眼往往使人浮想联翩，仿佛它们是另一种人类，能够像人一样地工作和行动。但机器人当然不是人，它们只是人造的一种机器。不过，这种机器的前途远大，它们正在向人类靠近，越来越具有人所特有的一些功能。美国电影星球大战中有两个机器人，它们叫 C3PO 和 R2D2。C3PO 的言谈举止很像人，看起来像一个奇特的金属人。但是它的计算机大脑使它在大多数智力活动中比人要敏捷得多。R2D2 的
2、言谈举止不像人，是一个粗短的管状的东西，有一个圆圆的顶，不断地闪光。像 C3PO 一样，它也有一个聪明的计算机大脑。这种像人一样的机器人现在还只是一种幻想，它只出现在电影和科幻小说中。但是要知道，我们今天所见到的一切，电影、电视、收音机、飞机和汽车、高楼大厦，以及各种现代化的工业生产设备，都是古人所没有的。今天的幻想，可能正是明天的现实。机器人的时代正在来临。机器人将成为人类的一种特殊的伙伴。在不久的将来，我们每一个人可能都会有一个，甚至几个这样的朋友。说不定你会快乐的，因为它会替你做事，让你心想事成。机器人的名字来自一个剧本1920 年，捷克斯洛伐克作家恰彼克写了一个剧本，名为洛桑万能机器人
3、公司 。剧中机器人的名字叫“罗伯特(Robot)” ，此词源于捷克语，意思是奴隶。这个剧本的剧情大致如下：洛桑万能机器人公司生产的机器人，是一些相貌和动作都像人的金属装置。它们被设计成用来从事各种各样的工作，以便使人摆脱劳作。它们能生存 20 年，刚生产出来时由人教给它们知识。它们不能思考，也没有感情，一个人能干三个人的活儿，公司为此生意兴隆。后来，机器人排挤工人，失业的工人游行示威，公司就组织机器人军队，屠杀工人。随着机器人的增加和发展，有了知觉，再也不愿受人统治，于是向人发动攻击，最后毁灭了人类。“机器人”的名字由此而产生，这就是 Robot，它的音译名叫“罗伯特”。今天，所有的机器人都叫
4、这个名字。现代科技使梦想成为现实“机器人”一词的出现，以及机器人这一事物的出现，至今还不到 100 年。但人类几千年来一直在梦想能创造出自己的复制品。古代人用泥土做小人像，或者把木头和石头雕刻得像人一样。我们现在能见到各种古代的陶俑和青铜人像。也许他们曾经想，如果他们制造出一个十分逼真的复制品，它或许会真的活起来。造人的故事延续了许多世纪，这些故事通常都涉及到使用魔法。同时人们开始发明一些自动装置，它们可以代替人做一些工作。例如，用水或重物运转的时钟就是最早的自动装置之一。19 世纪初，法国的约瑟夫马里雅卡尔发明了一种可以织布的自动装置。他的机器是通过木制卡片的小孔接受信息的。不同的卡片告诉机
5、器如何设计生产品种各异的布匹。但是，要发明一种能够像人一样动作的自动装置，是不容易的。因为机器人技术是高新技术的重要内容之一，是计算机技术、自动控制技术、微电子技术、仿生学、机械学的综合产物。在发明了计算机并实现了小型化、微型化之后，人类才有可能把计算机大脑同机器人的躯体联结在一起。1954 年，世界上第一个机器人在美国被制造出来了。此后，机器人工业开始在欧洲和日本发展起来。60 年代，第一批工业机器人就已经同工人并肩出现在工厂里。机器人，从美丽的幻想到上发条的玩具机器人的出现，经历了 2000 年。然而，从美国制造的第一台实用性机器人到其子孙繁衍成为一个庞大的家族，只经过了 20 多年。但如
6、果没有计算机、自动控制和其他技术的综合应用，就不可能有今天这样高水平的工业机器人。机器人是一种机器机器人这个名字出现以后，就被广泛地使用，形形色色的机械都被说成了机器人。没错，机器人是从机械发展而来的，它是一种机器。但它与传统的机械有没有区别呢？有区别。但是直到现在，世界上对机器人并没有一个统一的定义。有人认为机器人是具有胳膊和手，能按人的命令连续动作，并能观察环境，自我调整或到处移动的机器。还有人认为机器人是为了扩展人类活动空间所必需的机器。但总的来说，机器人应该是一个具有一定智能的计算机控制系统，人类可以通过编制可变的动作程序，使它完成各种不同的活动。有些机器人还能进行简单的模式识别，如有
7、一些必要的视觉、触觉、听觉装置，受外界刺激后能产生某些感觉，然后经过电子大脑推理后产生某种运动。这种感觉是和运动相关的。总之，机器人是一种机器，是人造的一种高级工具。它是否最终能够有智能，有高级的思维能力，就要看未来人类科技的发展状况了。机器人不一定要有人的模样被称为“机器人之父” 的美国科学家英格伯格说过这样的话：机器人只是以人类的某种方式工作的一种机器，它们的外貌完全可以不像人，而关键是必须适应工作。人们总是以为，或者总是希望，机器人要有与人类相似的外貌，甚至与人类一模一样。在科幻小说和科幻电影里，机器人往往与真正的人类非常相似。这是人类的一种理想，它能够实现吗？现在还无法断言。但从机器人
8、的产生和功能来看，机器人不一定要有人类的模样。实际上，现在的机器人王国千姿百态，它们有的没有脑袋，只有手臂，有的肚子上长着脑袋，有的则三头六臂。它们浑身都是金属结构，全身盔甲，不仅不像人样，甚至还很丑陋。但是，尽管它们其貌不扬，却都是勤奋、忠实的劳动者。它们是为了工作的需要而诞生的。机器人能发明创造吗发明创造，是一种人类所独有的最高级的思维活动。机器人能做到吗？它能代替人类进行发明创造，或者帮助人类进行创造性的思维吗？如果能，机器人就将成为另一种人类。目前，除了专家系统之外，科学家已经发明了同样通过对知识处理但却达到不同目的的另一种知识工程系统，这就是机器发明系统。这种机器发明系统可以对知识进
9、行推理。牛顿当年坐在苹果树下，被落下的苹果砸中了头部，于是他想到：为什么苹果只向下落呢？是否各种物体之间都有相互吸引力呢？吸引力有多大呢？这种提出问题、产生假设以及定量过程的相互联想，就是发明创造的根源。机器可以做得很快。机器人将会有发明创造的能力，这已经不仅仅是一种设想。美国卡内基梅隆大学做过 8个程序的试验，程序运转起来，在 1 个月之内，把 19 世纪最主要的物理学、化学、电学的发明、发现又由机器“再发现”了一次。也就是说，机器的发明创造能力 30 天等于人类的100 年。机器人是人类创造出来的，但是在未来，也许机器人的创造会使人类大吃一惊。机器人在做工人类造出机器人之后，让它们干什么呢
10、？让它们做工。许多机器人被设计成只能做一种工作的机器。它们按照人输入的信息工作。工厂里的机器人做许多单调乏味的工作，从来不需要休息。人们疲乏时会犯错误，而机器人不会。机器人从事焊接，用高温把一件东西的两部分焊在一起。它们把灼热的金属和塑料装到模压机中，压制成型。它们喷油漆。高温、噪音、或对人类有危险的化学物质，都不会损害机器人。机器人能够被遥控做危险的工作，搜寻未爆炸的炸弹，在水下修理海底管道，同有放射性的物体打交道。在空间探索中，机器人也大有作为。机器人手臂收集火星的土壤，在航天轨道上抓住卫星进行修理。机器人有时也会犯错误，但这些错误不是机器人造成的。有一家汽车制造厂，1000 多辆汽车的车
11、门被焊上了，因为一个人给机器人的计算机发出了错误的指令。当机器人得到正确的指令时，它们的工作做得又好又快。美国佛罗里达的一家公司，用机器人制造小型通信装置，要把大约 130 个微型电子零件安放到每个装置里。在一般工厂里用人工生产 1 台，大约需要 1 个月。但他们使用了机器人，2 个小时就可以生产 1 台。机器人的功用机器人的特点是，可以不知疲倦地整天工作。它可以比工人多生产 30%的产量，并使废品率大大下降。它可以代替人们作繁重的劳动，可以在有害于人的环境下工作。机器人虽然也会出错，但随着技术的进展，它的可靠性正在不断提高。机器人可以使生产降低成本，提高产品竞争能力，解决劳力紧缺问题。制造和
12、使用机器人的最初目的是为了在工厂里实现自动化生产，而现在机器人已走向广阔的天地。它们正在各个领域里发挥着作用。比如核电站的机器人会更换核燃料棒，巡视放射性系统的管道，清扫场地，检修蒸汽安全阀，并可以在事故现场取样。而海底机器人可以跨越海底的任何障碍，随身携带电视摄像机和声纳装置，帮助绘制详尽的海底地图，也可当海底交通工具使用。此外还有在井下采煤的机器人和无人驾驶的月球车等，只要人类的想象力和技术水平能够达到的地方，都可以使用机器人。机器人改变了人类的生产方式随着科学技术的发展，今天的自动化和昨天的自动化有很大的不同。今天的自动化是在微电子技术和电脑的基础上，以信息论和控制论为指导，广泛地应用机
13、器人、数控机床等，建立高度自动化的车间和工厂。因此，机器人成了时代的宠儿。机器人在开始时，主要是为了把人从危险、简单的劳动中替换出来，后来机器人把孤立的自动装置联接起来，构成自动化生产线、自动化车间和自动化工厂。随着自动化技术的发展，机器人成为最有代表性的智能机器。过去，人类生产的模式是由人操作机器，机器作用于自然界；而机器人出现以后，人类的生产模式就变成了由人来控制机器人，机器人操作机器，机器作用于自然界。这种改变是革命性的，它使人类所具有的能力大大提高。人类的生活面貌也将随之改观。机器人的前途科学家的目标是，制造一种真正类似于人的机器人。未来的机器人将可以通过自己的知觉采取行动，独立自主地
14、同外部世界打交道，它们将能够像人一样有看、听、说和解决问题的能力。具有这种能力的机器人已经并不仅仅是幻想了，具有其中一两种能力的机器人已经被制造出来，但需要有许多耗资巨大的计算机才能使这种机器人运转起来。美国、日本等国家正在研究制造机器人的视觉和触觉器官。如果研制出这些知觉器官，机器人将变得更加有用。计算机在运算数学方面的能力可能大大超过最聪明的人，但是在说、听和解决问题方面，人的能力却胜过 1000 台超级计算机。解决问题的能力是人类最重要的能力。这种能力几乎是无法模仿的。但机器人的发展却正在一步一步地向这个目标逼近。人们希望机器人最终能够做到，当它面临意想不到的情况时，能够改变行动方式。这
15、就是说，计算机必须拥有涉及到许多事物的巨大信息库，它们必须能够在其系统中迅速地找到所需要的信息，并作出如何行动的选择。迄今为止，计算机一直在以难以置信的速度改进着。20 年来，计算机的能力已增强了 1000 多倍。科学家预计，这种改进将继续下去，未来的计算机将有能力操纵更加近似于人的机器人。类似于人的机器人不可能很快出现。但简单机器人将越来越多地被使用。机器人在很多方面将取代人力，把人解放出来去做那些机器人所做不到的事情。人和机器人协同工作会更有效率。机器人要遵守的三原则1950 年美国化学家和科学幻想小说家阿西莫夫，在他写的小说集我是机器人中，为机器人规定了三条原则，即著名的“机器人三原则”
16、：一、机器人不可伤害人，或眼看人将遇害而袖手旁观；二、机器人必须服从人的命令，但是，如果其命令违反第一条时可不服从；三、机器人必须在不违反第一、第二条规定的情况下保护自己。这三条原则是机器人所必须遵守的，这是人类所公认的约束机器人行为的基本准则。如果机器人的行为超出了这个范围，就可能伤害人类的利益，人类创造机器人的壮举就会失去意义。机器人是人类的朋友在工业生产中的某些生产环节上大量使用机器人，必然会使这些生产环节上原有的工人离开他们的工作岗位。这可能引发就业问题。但另一面，机器人的使用也增加了新的就业机会，比如机器人制造业及其相关产业的发展，机器人的维护、调试和修理，为机器人电脑进行程序设计和
17、编制软件，以及从事机器人的系统分析、磁带管理和设备控制等工作，都提供了新的就业机会。只不过这种工作的技术要求更高。因此，不是所有被机器人替换下来的工人经过培训就能够胜任的，他们中的大部分只能被迫去寻求新的出路。这种生活方式的改变是一个痛苦的过程。在工业革命时代，工人捣毁机器的事件时有发生。1733 年，英国工程师约翰凯发明了飞梭，这种新工具能织更宽的布，提高了生产速度，引起了工人的愤怒。于是，这位发明家狼狈地逃离了曼彻斯特。马车被汽车取代后，修造马车的木匠和铁匠们就失业了。但是汽车的发展，又产生了炼油、橡胶、钢铁、汽车制造与维修等多种新的就业机会，吸收了更多的劳动力，并给社会带来更大的效益。农
18、业机械的普及取代了传统的农业生产工具，使大量农民转移到服务业和工业上来。人们今天已经看到了，这种人类分工的变化是社会进步的表现。从这个意义上讲，由于广泛采用机器人所带来的改变，也是一种社会进步过程中的必然表现。它将提高生产力的水平，代替或减轻人们的体力与脑力劳动，使人们有更多的机会去从事更有意义的创造性工作，从而加快人类社会的前进步伐。所以，无论是现在还是将来，机器人都应该是人类最亲密的伙伴和最忠实的朋友。学会使用工具使人类脱离了动物界早期的人类在制造石器以前，就已经使用过木头、骨头和兽角。他们用这些东西防卫、狩猎和采集植物。直至今天，有些地方的原始人仍然使用着骨头、木头和贝壳。最早的石器是天
19、然石块，他们把石头从地上拣起来就用。后来他们发现，可以根据自己的需要来改变石头的形状，于是他们开始打造石器，并用搞锋利了的石块削兽角，制成第一把刀子。这样，人就成了工具制造者和发明家。在地球上所有的动物中，只有人才拥有按自己的设计来制造工具的能力，人类因此脱离了动物界。旧石器时代的工具人们从对石块的使用到对石块进行打磨加工，是早期人类智力迈出的最重要的一步。人们用来制造工具的打磨石器有尖石、黑曜石、燧石、石英岩等。最早的石器是在非洲发现的。1931 年，英国人类学家路易斯利奇和他的妻子梅阿丽，在坦桑尼亚的奥都威峡谷发现了100 万年前的石器，并在那里找到了被命名为“智人”的古人类化石。在打磨石
20、器过程中，出现了像石刀、石斧之类的砍砸器、刮削器、石锤等。石器粗糙简单，但用来切割动物、剥皮和切碎植物果实等还是可以胜任的。北京猿人的石器已经很丰富，猎取的禽兽有大象、犀牛、马、野牛、水牛、骆驼、野猪、鹿、羊和羚羊等动物。在对山顶洞人和蓝田猿人化石的发掘中，都有大量的石器被发现。这些工具的形状、大小没有统一的标准，在用途上也没有分别，这种石器被称为旧石器。处于旧石器晚期的山顶洞人，已经有了磨制的骨针和磨光的鹿角，还有钻孔的石珠等装饰用品。梨形手斧梨形手斧发现于非洲和欧洲。显然，在漫长的实践过程中，人们由于在制作石器方面变得更加熟练，于是学会了制做梨形手斧。这种手斧没有柄，它是用一只手或双手拿着
21、使用的一种通用工具。手斧有多种形状，有些很灵巧，易于使用，有平稳和顺手的感觉。制造工具的人不仅想使它们有用，而且要使它们美观。他们是最早的艺术家。手斧在几十万年中，一直是石器时代的猎手们的主要工具，几乎没有什么变化。如果有，也极其微小。早期人类的生活，变化是极其缓慢的，每一个人都过着与祖先相同的生活。如果一件工具使一个人的父亲满意，那么这件工具也会使他满意。细石器大约 2.5 万年前，旧石器时代的人制成了细石器。细石器很小，通常排成一排，做成鱼叉或箭头。直到近代，澳大利亚的土著人还用细石器作为锯刀的齿，南非的丛林人还用细石器作箭头。细石器制成的工具比手斧轻，并且易于制作。这些小石片有许多用途，
22、如作锯子、针、刀和武器。人类从用手斧进步到使用细石器，经过了 100 多万年，许多石器表明那时人们已具有高度的技能和智力。在今天的工业社会里，我们也仍然使用与石器时代的人相同的操作方法切、锯、锤、碾，不同的只是，我们有动力传动机械，有金属和各种人造材料所提供的便利。进入新石器时代大约在 1 万多年以前，人们逐渐掌握了石器的磨制技术，制造出比旧石器的使用效果更好的石器，史学家称之为新石器。新石器的加工程序比旧石器的制作复杂得多，要经过选材、切割、磨制、钻孔、雕饰等工序才能完成。磨制的石器与打制的石器相比较，其形状规整、首端尖锐、刃口锋利、表面光洁平滑。在一个石器成形后，用砂子去打磨它的表面，这样
23、锋刃就变得坚硬，不易破裂。新石器时代的工具很坚固也很锋利，所以一直到人类发现了金属之后很长时间内，仍继续使用它们。由旧石器进展到新石器，是一次意义重大的工具革命。到了新石器时代的末期，人们甚至可以加工一些十分坚硬的玉石材料。石器制作技术的另一成就是钻孔技术的发展，这为制造复合工具提供了条件。新石器时代是农业开始发展的时代。石斧是新石器时代的人们最重要的工具。手里有了斧子，人们就可以把树林弄平，以便种植谷物。他们可以用它来造房子，造船，还造犁和车。3 位丹麦人类学家曾用古代的石斧做过一个试验，在 4 个小时内砍倒了 100 多棵树。然而，旧石器时代和新石器时代的重要区别并不完全在工具的制造上，而
24、在人的生活方式上。人类渐渐地脱离了打猎和采集食物的生活，成了农夫。以前为追逐野兽和采集野生植物从一个地方迁移到另一个地方的流浪人，现在成了定居的村民，种植庄稼，照料牛羊。复合工具的出现由于石器笨重，而且形状短小，使用起来不方便。经过长期的实践，人们发现，在石器上安装木柄或骨柄，使用时就省力，于是复合工具就这样产生了。它的产生，是人类工具发展史上的一大进步。复合工具的制作和使用，说明远古人类已经懂得了利用力矩省力和将动能转化为势能的原理。弓箭的发明大大扩展了人类的能力原始人围猎动物的主要工具，是石块和棍棒，也要使用树枝。原始人类发现树枝弯曲后再伸展时具有弹射的功能，从而发明了弓箭。弯曲的树枝、藤
25、条、竹皮，在伸展时都展现出一定的弹性，是制作原始弯弓的理想材料。制作弦的最初材料是细藤条、兽筋之类有韧性的东西。箭是用各种树枝或竹枝作成的，后来才安装了石制的打磨得很尖利的箭镞。弓箭出现于 5 万1 万年前。这个时期的古人类代表，有法国的克罗马农人，中国的河套人和北京山顶洞人等。在中国的山西省朔县峙峪发掘出了距今 2.8 万年前的石镞，在山西省沁水县下川遗址中也发掘出石镞。弓箭的发明，是人类使用工具的重大事件，它使原始人可以在距野兽一定距离时就发动进攻。这是人类利用工具来扩展自身能力的一个转折点。猎手变成渔夫人类以狩猎维持生命，度过了漫长的岁月。由于猎物越来越少，人们就被迫寻找新的食物来源。他
26、们花费很多时间来收集植物的根、坚果、昆虫、鸟蛋和鱼。因此，猎手的后代有些成了渔夫。他们发明了船、网、钩、鱼叉和钓鱼线。曾经一度是猎取猛犸和其他野兽的猎手，却靠贝、壳鱼类和在海边能找到的其他东西维生。以色列的纳吐蕃人以色列的卡梅尔山，是打猎和捕鱼的纳吐蕃人的家乡。他们过着比旧石器时代的祖先较为安定的生活。在他们洞穴中有许多野兽骨头，有骨制的鱼钩和鱼叉。发现了石制切削器的碎片，刀口闪着青光，似乎是经常使用的。这表明，纳吐蕃人既是猎人、渔夫，也是农夫。纳吐蕃人很可能曾经播种和收割过庄稼。他们发现将种子埋在土中，就会长出一株植物。种植和收获的过程可以反复进行，使人类终于摆脱了对采集野生植物的依赖。历史
27、学家还不能肯定地说，纳吐蕃人确实在从事农业。他们的切割工具也可能是用来割野草的。许多打猎和采集植物的人群也采集野生谷物，就像他们采集浆果和坚果一样。伊拉克的查尔玛人是最早的农夫查尔玛位于伊拉克北部的山区，离底格里斯河不远，是人类建立的最早村落之一。和其他新石器时代的聚居点一样，查尔玛很小，从未超过 150 人。房子是以石头为基，上面是硬泥，虽然粗糙简陋，但盖得很结实，经久耐用。查尔玛的农夫种两种小麦，他们用石刀收割庄稼，在石臼中舂捣谷物，用石盘吃饭。查尔玛最早是打猎营地，猎人们在那里发现了野生的谷物，学会了收获这些谷物以补充食物。由于谷物能长期保存，在打猎无获时谷物便成了最主要的食物来源。学会
28、制造青铜器大约 5000 年前，两河流域的西南亚人发现铜可以代替石头用来做工具和武器。后来在铜里加锡，就制成了青铜。青铜比铜更硬，更轻，更耐用。它可以制成各种武器，包括矛、刀和长剑。消息传播开来，人们就逐渐地停止使用石器。金属不仅用来制作武器，还被用来制造工具、首饰和家庭用具。到大约 4500 年前，世界开始进入青铜时代，结束了已有 100 万年历史的石器时代。对铜和锡的需求导致了贸易的增长。贸易开始之后，战争也随之开始。因此，铜的最早用途是制造刀或箭镞。考古学家找到了公元前 4000 年开盖铸型的铜斧。在公元前 3000 年左右，埃及已能用竖井采矿法来掘取铜了。大型的铜锻片是在埃及被利勃先法
29、老(约公元前2695前 2665 年在世)的陵墓中发现的，那是一口直径 0.5 米的大锅，说明那时已有了永久性的铸模。青铜的使用与推广起源于两河流域，随后就是埃及。埃及制取青铜的工艺图，是从埃及新王国第 18 朝代的一位官吏(约公元前 1450 年) 的陵墓中发现的。画面上有冗长的象形文字，记述着这是在浇铸寺院的青铜大门，而铜是从叙利亚运来的。青铜是人类第一个认识的合金。锡的熔点是 231.8，铅的熔点比锡略高，为 327.5。由于熔点低，人们在用陶器烧煮食物时，燃料中的碳很可能将氧化物或盐类中的锡与铅还原出来，引起人们注意，由此而发明用矿石冶炼金属。铜的熔点为 1083，这需要人们掌握高温技
30、术之后才能进行冶炼。青铜的出现，是人类科学技术进步的结果。铁器时代到来人类最早的铁器是用天然陨铁制成的。埃及发掘出公元前 2000 年前的一个用陨石铁锻片制成的项圈。还有一把发现于伊拉克美索不达米亚附近的镀金短剑，时间约为公元前 3100 年，也是用陨石铁制成的。陨石在坠落的过程中，通过大气层时因摩擦发热而燃烧，镍和铁熔融成为陨石铁落在地上。苏美尔人因此把铁称做“天铜”，在楔形文字的文献中记载它“来自天上”。炼铁技术最初出现于上亚细亚的喜特帝国，时间在公元前 1500 年前后。喜特帝国垄断炼铁技术达数百年之久，直到公元前 1200 年喜特帝国灭亡，从矿石中炼铁的技术才外传出去。他们的炼铁技术被
31、称为低温固态还原法，炼出的铁有很多气泡，被称为海绵铁。中国的铁器时代开始得也很早，中国的第一把铁剑，铸于公元前 1879 年，也是用陨石铁炼的。中国人起初不是从矿石中得到铁，而是从熔炼中得到铸铁。他们能制成铁铸件，铸铁的农具在中国最早使用。没有铁制犁头的出现，犁耕农业就不可能真正地实现。距今 3000多年前，中国人就已经铸成了一口高 4 米、直径达 3 米的大铁钟，重 60 吨。印度德里的铁柱在印度的德里至今竖立着一根著名的库图勃圆柱，这根铁柱高达 7.5 米，直径 0.4 米，重 6吨，是在某种煅炉上直接煅接的。人们可以看到，这根铁柱因质纯而未生出锈迹，柱子上有铭文，据推断，此柱大约制成于公
32、元前 380前 330 年。早于此柱数百年，古印度人就已使用铁制的兵器了。铁器的制造和使用，使人类文明迈进了一大步，为人类向机器时代过渡提供了条件。楔子古人很早就会使用楔子。自太古时代起，人们就用楔子来搬动、提升或运输重物。楔子有很多优点，山顶洞人就已经使用楔子。人们之所以能够使用钉子、螺丝钉、斧子、凿子、刨子以及许多其他的工具，都是采用了楔子的原理。美洲印第安人在入冬时节，用水灌满岩石的深缝，水变成冰后膨胀，使岩石破裂，他们就来收集石块。希腊人则把楔形木塞塞进大理石上的孔里，然后用水浸泡，木塞膨胀后，大理石便被破为石料。这些都是利用了楔子的原理。犁最早的松土办法，是拖着弯曲的棍子把土掘松，犁
33、就是这样发展起来的。如果不是用锄头挖地，而是把它挖进土里向前拖，便会形成一道犁沟。犁用牲口来拉，就使这种简单的工具变成一种机械。使用畜力耕地是人类发展史上的一次革命。耕的地越多，种的庄稼就越多，可以集中在一起生活的人就越多。原始的铧犁出现于地中海地区和中东地区。铧犁把土壤分开，在两条犁沟之间留下一道没有犁着的土埂，因此需要交叉着犁一遍。1 世纪时意大利出现了重型犁，到 6 世纪已在德国的中部和南部得到普及。装有重型犁头和将土壤翻转的犁刀和模板，能有效地翻耕坚硬的土壤，这种犁要用两头牛套在一起拉。绞车现在已知的最早的绞车，是在奥地利的一个青铜时代的铜矿中发现的，距今已有 2600 年。在古希腊时
34、代，人们经常提到绞车。绞车最初可能是用于沿地面的牵引，加上滑轮作为支点后，绞车就成了建筑工人用的吊车。为了防止倒滑，绞车上安装了棘轮机构和棘爪。人们还把绞车侧立起来当绞盘式卷扬机用。这样，工人在围着推杆行走时，就能够靠在上面。在船上，绞车可以用来控制绳缆。有了这种装置，才可能出现中世纪那种有巨大的锚和粗重缆绳的大船。没有绞车，希腊人就不可能获得建筑上的成就。古代绞车都是通过凸杆或推杆进行操作，直到 14 世纪才用曲柄来转动绞车。中世纪，伯鲁涅列斯基在建佛罗伦萨大教堂时发明了著名的升降机，他用 3 个不同直径的圆筒构成一部轻便的绞车，用以提升物体。达芬奇还画了一幅绞车图，但没有得到应用。轮子最早
35、的轮车有坚固的车轮。车轮是用从树干上纵向砍下的一节或多节木料制成的。树干的横断木板不能制作这种车轮，因为横断木板会沿木纹劈裂。有了轮之后，人们就可以制造手推车和双轮马车，用来运输。在公元前 2000 年辐轮战车问世时，最先在叙利亚北部用于运输。轴之间的牵引起源于中国，同刚性马轭结合使用。轮车运输最先出现在美索不达米亚，随后在公元前 3500 年左右，出现于高加索、东欧和中欧，北欧从公元前 2500 年起也开始使用轮车。埃及迟至公元前 17 世纪才开始使用轮车，在相当晚的时期才引进战车和马。中国则在商朝晚期就已经使用轮车运输了。杠杆使用长棍子或粗的树枝来挪动重物，将一块石头或木头放在棍子下作支点
36、，重物端的部分必须比支点另一端的部分短得多，这就是杠杆的作用。人类从什么时候开始使用杠杆的呢？也许从人类学会使用工具时就开始了。希腊物理学家和数学家阿基米德说：“给我一个地球之外的立足点，我就能搬动地球。 ”生活在公元前 3 世纪的阿基米德所阐述的就是杠杆作用的力学原理。阿基米德计算了有关的各种力。要是支点两边力臂的长度为 15，劳动者挪动重物时需用的力，就只有不用杠杆而挪动重物时所用力的/，但在施力的时间或距离上会有所延长，如把重物举起 1 米，就必须把长臂压下 5 米。阿基米德将原理概括为：力臂越长，所需的力就越小。人们使用的杠杆有很多种。最早的杠杆支点在所施的力和重物之间，撬杆就属于这一
37、类。另一种杠杆，重物在中间，例如手推车或胡桃钳。第三种杠杆是中间起施力的作用，例如钳子或车床踏板。金属丝从埃及的墓葬、古城特洛伊的废墟、中国的某些古代陵墓中都能发掘出早期的金属丝。早期的金属丝是由铁匠制造的，铁匠把金属截成段，捶成薄条，而且只能制成很短的丝。要获得长金属丝，需要将几根短丝锻接在一起。通过模具或拉模板将棒材拉成金属丝是以后的事情了，用手拿模具拉丝又慢又困难，制成的金属线材的匀度和细度完全决定于臂力。在中世纪，金属线材用于制造装甲车活动机件的铆钉。1350 年，鲁道夫德 纽伦堡发明了用水力拉制金属线材。1854 年，威廉汉弗莱在英国创建了一家利用水力的拉丝厂。金属线材可以用多股绞合
38、成金属索。从庞贝城废墟中发掘出的钢丝绳样品表明，在 1900 多年前，人们已知道制造多股绞合金属索的方法。凸轮凸轮是从落锤的凸耳转变来的。用落锤来舂米始于公元前。操作者用脚踩下落锤的一端，脚一松开，锤就落下。到 1 世纪，已经应用水力驱动这种设备，先是环绕轮轴安装一些勺斗，勺斗盛满水后相继翻转，将水倒出，于是轮轴的另一端下垂而使锤轴往下压。勺斗最后发展成为分布在轮子周围的一系列水桶，曲柄则成为安装在同一轮轴上的凸耳。在中世纪，单凸耳首先出现在锻工的落锤上，还使用一种配备几个落锤和几个凸轮的机器将破布制成纸张。从 13 世纪起，又利用水力驱动的落锤制浆，并使用类似的机械来漂洗布匹。人们发现，在捣
39、碎或破碎作业中，利用落锤击打十分有效。中世纪的落锤是一根包有铁头的直木柱，凸轮借助木柱侧面的凸耳可将木柱顶起，然后松开，使冲头沿导槽落下。中国则用它捶压菜籽油，捣碎矿石等。阀门阀门最先是作为风箱的一个部件出现的。古代锻铁炉风箱有一个比风眼稍长和稍宽的薄板，当风箱鼓起来时，薄板打开；当风箱收缩时，薄板关闭。但它问世的年代很难确定。机械上使用阀门的历史起始于压力泵。压力泵的原始瓣阀呈长筒形，后来改用矩形阀，但名称仍保持不变。在欧洲文艺复兴时期前，所有的泵和风箱阀都是瓣阀。达芬奇曾发明一种锥形跳动舌门。后来蒸汽机的发明导致了跟发动机运转有关的精密阀门的出现，这些阀门包括喷气阀、滑阀和平衡阀。弹簧大多
40、数材料都有弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复原形。在历史上，人们就利用这一特性，在门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉，一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹，他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。弓就是这样制成的。中世纪时，这种原理开始使用在机械上，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯等，操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。公元前 4 世纪，希腊发明了用搓成的腱绳或毛绳拉紧的扭簧，用以代替简单的弹簧来加强石弩和抛石机的威力。抛石机的弹簧是用弯曲的青铜板作成的，它是最早的片簧。后来人们发现如果压缩一根螺旋杆，而不是弯曲一根直杆
41、，金属弹簧储存的能量就会更大。在 15 世纪的机械手册中附有一些奇特的螺旋弹簧钟表图，带圈簧的钟表在 1460 年已开始使用了。大约又过了一个世纪，带弹簧的钟表才开始普及应用。齿轮齿轮最初是作为提水装置的一种构件问世的。在轮面上沿轮缘垂直地固定一连串木钉，一个轮子就能带动与它成直角的另一个轮子。在欧洲、亚洲和非洲，有齿轮的提水装置到处采用，而且在许多世纪内，不少村庄都只有一套齿轮。大约在公元前 1 世纪，人们就用齿轮把卧式水磨同垂直提水的水车结合起来。齿轮起源于公元前 3前 2 世纪的古埃及托勒密王朝。那时，端面齿轮或伞形齿轮通常用来驱动一个小齿轮组件，小齿轮组件是用板条笼或栅笼连接起来的两个
42、简单的轮圈，轮圈的两端被齿轮咬住。今天能够看到希腊罗马时代遗留下的一组黄铜齿轮，这组齿轮是从打捞起来的沉船上的一台小计算器上发现的。金属齿轮直到机械钟表问世后才得以普及，那些钟表匠人寻求提高齿轮的效率，创造了一种跟钻齿的齿轮不同的齿轮。达芬奇花了很长时间研究出齿轮传动比和理想的齿形。大规模生产精密齿轮的机床在 17 世纪出现，英国王政复辟时期开始普遍使用齿轮切割机。老虎钳和扳手据说，老虎钳是古希腊时柏拉图的朋友塔伦图姆的阿奇塔斯发明的。现在知道的最早的老虎钳是用金属制成的，从 16 世纪起，铁匠和其他的金属工匠都使用这种工具。在 17 世纪末叶以前，木匠还没有使用老虎钳，老虎钳是在 18 世纪
43、才为人们普遍使用的。扳手大约产生于 1550 年，为了操作螺母和螺栓，有人研制出了各种各样的扳手。17 世纪的法国人利比安在 1676 年画了一种盒式扳手的插图。有活动齿的扳手大约是 1700 年出现并开始使用的。木工工具在中世纪，木工工具从罗马时代以来，几乎没有改变。罗马人已经有弓钻，这是从古埃及时代以来地中海地区的标准钻孔工具。弓钻先向一个方向转几圈，然后再向另一个方向转几圈，但钻头却只能在木头上钻孔，主要缺点是动作不能连续。后来的手摇钻，是能在一个方向上作连续旋转的最早的钻孔工具。它首先出现在北欧，时间为 1425 年。罗马人还使用用于横切的剑形手锯，并且发明了用来在工作台上进行切割的带
44、框的窄条锯。钳子则是利用剪形装置的回转动作来拉拽，而不是剪切。木工的主要工具还有斧，很早以前就有用来伐木和加工木料的各种专门的斧。手斧是制桶工人和造船工人必不可少的工具，它是从作最后修整用的侧斧演变来的。水车滑轮很早就出现了，借助于滑轮，一个人可以用自己的体重来向下施加压力，从井里提起一桶水来。古希腊匠人把轮子用作不断运转的扬水杠杆，在一个大轮的周边装上若干圆筒或罐子，牛绕着一根垂直的轴转圈，装有圆筒的轮子则绕着一个水平的轴转动。后来人们发现，用水车在水流很急的河里扬水，流水本身就能使水车转动，如果在轮缘上安一些木板来增大阻力，水流的力量可以使轮子转得很快，而且不一定要用轮子扬水，可以反过来让
45、水转动轮子，轮子再转动传动轴，这样，任何转动的装置都可以用水力作动力，比如磨。到公元前 1 世纪，水磨已为人们普遍知晓。希腊还有一种水平水车，它比垂直水车小得多，功率也小，但是制造起来省木料，也无需多少水作动力。罗马人继承了希腊人有关水车的知识。到 11 世纪时，欧洲几乎每一个教区都有水磨和辗。磨和辗被用来磨橄榄，磨苹果酱，压亚麻子油或菜子油，把菘蓝属植物压制成染料，把木炭研碎做火药。风车公元 644 年，是风车见于文献的最早年代，因为有一个制造风车的波斯匠人因行刺哈里发乌马尔伊本 卡图布而被捕。200 年后，出现在伊朗和阿富汗交界处塞斯坦的风车是比较著名的，这种风车从小亚细亚的水平水车演变而
46、来，它的翼板安在一个垂直的轴上，在平面上转动。西方的垂直风车由垂直水车演变而来，称为柱车，最早是在公元 1180 年前后出现于法国。它的翼板跟风向垂直，磨石和传动装置的木头车体就安在一根支承的立柱上，一根长的杠杆从背后把它转向迎风面。从这种风车演变出的塔式风车，于公元 1300 年前出现于法国。塔式风车由一个固定的塔构成，塔包括磨石和传动装置，只有装着翼板的塔顶能迎风转动。对没有河流来驱动水车的欧洲的一些村镇来说，风车是一种好东西，它可以代替手推磨和牛拉磨。挖泥机由于河流经常为水草和垃圾所堵塞，于是在 13 世纪的欧洲，就发明了一种挖泥机。挖泥机是一种配有缆索和铁耙的船，铁耙运转时将河里的水草
47、拔起，这样就保持了河床的深度，使河流能继续行船。它主要是不让植物保持淤泥，把淤泥弄松，以便让流水将其冲走，从而起到疏通河道的作用。到 16 世纪，又有了新的挖泥机，它使用一连串的桨状物，像围绕着两个轴展开的水轮。这种挖泥机是现代挖泥机的祖先，但它仍然只是搅起淤泥，让水把它冲走。后来有一种方法是用桶，把淤泥弄到挖泥机的船舱里，另一种方法是使用剪式掘土机来铲平河泥。钟最早的机械钟于 1335 年出现在意大利的米兰。钟的摆轮的前身，是 1090 年的一本书中描述过的一种装置。它是一种精巧的水漏，用水轮驱动。水轮一步一步地转动，使水注入一系列的杯子里。当水的重量足以使一把秤翘起时，杯子里的水就倾倒出来
48、，一刻钟倾倒一次。这时机械便开启，一直到下一只杯子转到水流下方时才又卡住。走得快慢主要取决于水的流速。这种装置后来发展到了机械摆动。机械钟的走速完全是由周期性的机械运动决定的。早期机械钟是这样运动的：一个装在心轴附近的杆，被齿轮先向一面推动，然后又向另一面推动；齿轮每前进一个齿，杆就来回摆动一次。齿轮用悬在一个鼓轮上的配重驱动，钟的速度由配重控制，但在很大程度上受摩擦力的影响，因此这种钟很不准确，最好的钟在一天之内的误差也大于一刻钟。直到 17世纪中期，机械钟通常只有一个指针，钟面的刻度只有小时和刻。最早的钟没有钟面，完全是靠敲打机械来报时长期以来，由于缺乏测量时间间隔的精确机械，而使钟表的发
49、展受到影响。伽利略在关于斜面上滚动物体的下落速度的实验中，通过称量从一个容器的小孔中冒出的水的方法测量了时间，时间测量史上的新纪元即始于伽利略的这项发现：只要摆动的弧度小，一个单摆的摆动时间就只取决于它的长度。要令人满意地报时，摆必须跟时钟机构结合起来，使摆不断地摆动，并计下摆动的次数。伽利略在晚年留下了一幅带原始司行轮的摆钟图。1656 年，荷兰科学家惠更斯，最先成功地制造出摆钟。惠更斯的钟采用边缘型擒纵器。后来又有人在 1670 年发明了锚型擒纵器，这种擒纵器摆动的角度很小。摆锤伽利略第一个发现摆锤原理，加以证实，并在研究理论力学时应用了这个原理。他曾绘制了一张可以使用摆锤的时钟设计图。传说伽利略在地震时测定了比萨大教堂的大吊灯摆动的时间及其脉冲式敲打，发现摆动发生的时间明显相等，从而发现了摆锤的等时性，并进而认识到钟摆摆动的时间只取决于它的长度，而与在圆弧上摆动的重量无关。荷兰物理学家惠更斯在研究自由落体运动的工作中利用了摆锤，并认识到这是一种比当时任何钟表机构运转校准器都更准确的校准器。他发现，除非将摆锤限制在特定曲线的限制夹板之间，使摆锤本身勾出一个摆弧，否则它不会作完全相同的时间振荡。荷兰海牙钟表制造厂按照惠更斯的设计原理于 1657 年成功地制造出了一架时钟。惠更斯获得了专利。后来所有摆锤式时钟都是由此发
