重建达·芬奇的机械手稿

马里奥·塔戴试乘他重建的“机械鹰”

记者/陈璐

供图/Leonardo3 - www.leonardo3.net

在今年纪念达·芬奇逝世500周年的一系列活动中，来自意大利米兰Leonardo3博物馆的“莱昂纳多·达·芬奇的世界”显得尤为特别：他们数字化展示了完整版的《大西洋手稿》，观众可以看到1119页的画作和作品，主题涵盖从植物学到武器等各种领域；而通过这些手稿来修复、重建的达·芬奇的机械发明，则令我们更为直观地感受到了他在工程和科技上的天赋。

马里奥·塔戴（Mario Taddei）是Leonardo3博物馆和工作室的创始人之一，也担任技术总监和首席研究员。他曾执教于米兰理工大学工业设计和计算机专业，从2004年开始，他从事与达·芬奇机械手稿相关的研究和重建工作，并出版多本相关书籍，其中《达·芬奇机器》在2015年曾推出过中文版本。

通过研究达·芬奇的手稿、笔记等资料，马里奥·塔戴和他的同事们使用14～15世纪便有的材料，重新制造、复原了大约50台达·芬奇设计的机械装置，并创建了超过1000个达·芬奇的机械三维模型。这些研究成果大部分都展示在位于斯卡拉广场的Leonardo3博物馆中。

“达·芬奇认为自己是一位工程师。”塔戴说，这是有记载的。1481年，年近30岁的达·芬奇希望能够为米兰公爵卢多维科·斯福尔扎（Ludovico Sforza）工作，他为此给斯福尔扎写了一封自荐信，一行一行地罗列了自己作为工程师的独特才能：一、建桥；二、攻城用的桥梁和暗渠；三、摧毁堡垒；四、投石器；五、攻击海上舰船；六、修战壕；七、装甲车；八、造炮；九、投弹器和弩；十、建筑和雕塑。除了最后一项外，其余都是军事工程。

根据“机械鹰”手稿重建的模型

这些信息都记录在达·芬奇《大西洋手稿》的第1082页。里面还有这样几行话：“如果有需要，我将用非常漂亮和实用的设计制造大炮、迫击炮和轻武器，它们的设计非常独特。”尽管没有特地提及他的绘画天赋，但他的才能在字里行间一览无余。

《大西洋手稿》共有1119页，400年前由雕塑家蓬佩奥·莱昂尼（Pompeo Leoni）编纂并装订成书，并于1637年由盖里祖·阿考那蒂（Galeazzo Arconati）捐赠给了米兰的安布罗西安纳图书馆。基本上，莱昂纳多作为艺术家和科学家的一生都展现在了这个非凡的收藏中，手稿内容横跨1478年（达·芬奇还在他的家乡托斯卡纳）到1519年（他死于法国）的大部分时期，涉及哲学沉思和绘画研究，再到数学和力学，以及诸如降落伞、战争机器和液压泵等各种稀奇古怪的发明。

塔戴深深着迷于达·芬奇作为工程师和科学家的这一面。

马里奥·塔戴在他的工作室

但是，对于大部分人而言，想要接触到达·芬奇手稿，并不是一件容易的事情。达·芬奇一生留下来了超过6000页的手稿，包括《大西洋手稿》《温莎手稿》《阿伦德尔手稿》《提福兹欧手稿》《佛斯特手稿》《巴黎手稿》《马德里手稿》《艾仕本罕手稿》《鸟类飞行手稿》《莱斯特手稿》《绘画论》。除了《莱斯特手稿》由比尔·盖茨私人收藏外，其余全部在博物馆机构中。

这些手稿原件非常昂贵并且极为脆弱，哪怕是翻页这样的简单行为，都有可能会造成损坏。所以博物馆往往会将手稿原件进行特殊的储存，保存在温度和湿度被仔细监控的保险库中，并且选择让一些页面能够在精心控制的条件下看到天日。

“我一生都在努力尝试获取这些文件，对它们进行扫描以便让人们可以访问。”2004年，塔戴成为第一批利用数码技术扫描全部《大西洋手稿》的人，并将其展示在与Leonardo3工作室合作的图书馆中。不过，这只是他一切工作的开始。

源自自然的科学观察

在达·芬奇所有的机械设计中，最为人所熟知的便是飞行机器。达·芬奇一生中绘制了500多个不同的飞行器草图，还写下了35000多字的笔记。

这些草图都来自于他对大自然的细致观察。他研究了不同的飞行动物，试图正确理解每一种能够飞行的动物的飞行原理。达·芬奇提出了几十种模仿鸟类、蝙蝠和某些昆虫飞行的运动机制和系统，设计了比如机械飞龙、机械鹰，以及机械蝴蝶或飞鱼等许多装置。所有这些装置都能够在他的《巴黎手稿》B部分中按照逻辑顺序找到。

不过，要真正地重建达·芬奇的草图设计，并不是一件容易的事情。“你需要在所有手稿中去发现线索。”塔戴对本刊强调道，因为达·芬奇对一个问题的思考往往并不连续，他常常会将自己对一个设计的想法切割成对很多不同小问题的思考，然后分散在许多不同手稿的不同页面中，“因此，我的工作是在达·芬奇的所有手稿中按时间顺序发掘线索，以达·芬奇大脑的网络维度进行思索”。

在Leonardo3博物馆中，放置着一台由塔戴重建的机械鹰（Mechanical Eagle）。这是达·芬奇设计的最大的飞行机器，宽约12米。塔戴对照草图进行了一比一的复原。很多其他据说是根据达·芬奇的设计所重建的飞行机器，往往仅仅具备他所设计的美丽外形，但并不能够真正运转起来。这是因为他们通常只找到了这台机器的最初线索，隐藏在达·芬奇的《巴黎手稿》D部分的第47页中。但实际上，这部机器的各个部分被记录在不同的文件上：发动机、翅膀、不同部分的联结机制以及发动机的尾巴，全部画在不同页面，分散保存在世界各地。所以塔戴在开始制作之前，首先要将所有这些文件按照时间和空间顺序建立关联，以便对整个项目具有一个宏观的看法。

如果仔细观察塔戴以原始草图重建的这台机器，可以在机翼周围找到100多个片羽。这不是一个扁平的翅膀，达·芬奇学习了鹰的羽毛：当羽毛挤压翅膀时，便挤压了空气；当升起翅膀时，这些羽毛就会打开，空气自然流动。他通过机械的方式再现老鹰飞行的特征，以此模仿它们的工作原理。一个滑轮系统被用来使翅膀折叠、拍打和转动，所以当羽毛拍打翅膀时，空气能在上升时流通，在下滑时闭合。

“我试图坐进去，我把它等比重建，就是因为我想尝试一下这个机器。”尽管没有任何记载说达·芬奇曾真正地完成这件装置并且进行试验，但塔戴不畏惧去做第一个尝试的人。他进入机械鹰的内部，发现这台机器能够正常工作，但重点是，人类并不能足够快速地扇动而让翅膀来维持飞行状态。塔戴认为这台机器无法成功的原因与它所需的能量有关，而不是它的工作机制。

Leonardo3博物馆内部展厅

达·芬奇的发明，离不开他大量的自然实验。很多关于达·芬奇的文章里都写到他曾发明过直升机。但这并不是真的。事实是，这个装置是一个“空中螺旋”（Aerial Screw）。它本身不能用来飞行，这是一个实验装置，达·芬奇的想法是用它来理解空气的存在，这有助于他设计飞行机器。

1481年左右，达·芬奇利用阿基米德螺旋泵画了一幅详细的吊水装置草图。也许他注意到了螺杆在流体运动中的作用，并且知道空气本身表现为一种轻流体，于是在1489年，他设计了“空中螺旋”这种机器。这是一个螺旋形的转子，半径约四米。他建议应该用芦苇做一个螺旋框架，支撑住一个密封的、空气无法流通的浆布覆盖物。在他的笔记中，达·芬奇解释说，这台机器的工作原理就像一个穿透空气的螺丝钉，当它旋转时就会产生升力。这台机器的工作原理接近如今的直升机。

不完美的天才

“达·芬奇并不完美。”尽管达·芬奇一直以一位完美的天才形象深入人心，但塔戴却对我说，实际上在达·芬奇遗稿的成千上万个奇特构想中，大部分并不能真正实现。

其中最典型的例子便是关于永动机的设想。根据《巴黎手稿》中的记载，达·芬奇曾试图建造一个由美丽宫殿组成的理想城市，为此他设计了很多大型机器，比如水泵等城市工程。在这些设计图中，塔戴发现其中有一台非常复杂的机器，外部被添加了很多功能，但却从来没有关于内部工作机制的描绘。

经过一步步地发掘线索，塔戴在《大西洋手稿》和《马德里手稿》中发现了与之相关的20多个不同页面。通过对比分析，塔戴发现达·芬奇想发明的是一台不需外界输入能源就能够不断运动的永动机。达·芬奇曾设想，如果城市获取能源的唯一途径来自周边的河流，那么如果没有水可以使用的时候，应该如何获得能源呢？

这是一个长得有点像水车的装置。圆形的轮轴外面有很多盛有水银的盒子。当盒子绕着大轮子旋转时，水银就会在盒子里流动。主轮每转动一整圈，箱子就会转动半圈。下面的一个机制将逆时针方向旋转的盒子返回到“开始”位置。

如果不是达·芬奇设计的精巧复杂的联结系统，这个系统将没有什么特别价值。但事实上，每个盒子的侧面都隐藏着弹簧和枢轴，允许对盒子的位置进行控制，使它们在右侧都垂直，在左侧都倾斜，从而使盒子内部的液体能够从右向左流动，这种不平衡将使盒子的重心向左偏移，使得轮子自身沿逆时针方向旋转，从而在这种不平衡中自发运动。达·芬奇希望将这件“时间机器”与其他装置连接起来为城市提供能量。

在今天，我们知道因为摩擦的存在，永动机只是一个无法实现的美丽构想。但达·芬奇绘制过许多不同的永动机的草图，直到老去的时候，他才越来越了解到，也许这是不可能的，这台机器永远不会工作。“但这个想法非常重要，对我来说比飞行机器重要得多，因为它代表了达·芬奇卓越的想象力和创造力。”塔戴告诉我，他复原了这件手稿装置，并将其称为“时间机器”（Time Machine）。

达·芬奇的许多创想都并没有经过实际的检验，只是停留在图纸的阶段。不过，从不同的文本记载中，可以肯定的是，达·芬奇至少亲自制造了两台机器：机械狮子和颅骨形竖琴。

1515年，达·芬奇制造了一台“机械狮子”（Mechanical Lion）赠给法国国王，这个机械狮子能够向前行走至国王面前，然后狮子的胸部会打开，为国王献上一束百合花。佛罗伦萨人支付了这笔建造费用。这是世界上第一个机器人。

塔戴在《马德里手稿》中找到了这项发明的记录，然后将它制造了出来。这个被复原的机器狮子，可以走两三米，因为它的内部是靠弹簧驱动的，缺乏足够的能量使它走得更远。和现代的机器人相比，除了无法靠电发动，达·芬奇对整个机械装置的力学技术，比如齿轮、滑轮等结构的设计，都和现代的机械装置几乎一致。

“颅骨形竖琴”三维重建模型

第二件有记载的设计“颅骨形竖琴”（Silver Lyre）是他在米兰的时候制造的。与达·芬奇同时代的艺术史学家乔治·瓦萨里（Giorgio Vasari）在他著名的《艺苑名人传》里写道，达·芬奇送了一份礼物给米兰公爵，这是一个类似小提琴的乐器，用马的头骨和银器制作而成。

为了重建这个乐器，塔戴找到了一个真正的马的头骨。他用手将这个头骨的每一寸都进行了清洗，然后放到水里煮，再进行消毒。之后，他又大约花费了两周的时间，根据资料来把它制造成一个乐器，“这是一种非常古怪的乐器，它的声音不是那么好听。但它就像是一件艺术品。达·芬奇把这个作为礼物送给了米兰公爵，因为从没有人见过这种东西”。

源于学习的创造力

达·芬奇早期的许多武器设计，都来自他对古希腊、古罗马书籍的学习。他从中抄袭了不少像降落伞、坦克这样一些设计。但为什么人们只记住了达·芬奇的设计？塔戴认为达·芬奇过于美丽的绘画是其中的原因之一。

塔戴举例道，在达·芬奇许多武器发明中，有一台多炮枪，可以同时用10门大炮开火。最初，他这个想法也是抄袭了前人的设计，但他不久就发现这个设计存在许多问题：首先它工作起来不是很有效率；其次，它不能瞄准那些能够迅速移动的敌人。

所以他在此基础上进行了改进，在里面增加了一个球形装置，这样就可以控制大炮300度旋转，也可以上升和下降。在战斗的时候，士兵将可以调整大炮的方向，迅速瞄准运动中的敌人。“这是一个非常好的改进机器的例子。而达·芬奇的设计也非常美丽。”塔戴说。

除此之外，达·芬奇还热衷于通过实验的方式来改善设计。他曾经为了令齿轮能够工作得更加顺畅，试验过许多不同材料，比如木材、金属，看哪种更适合齿轮的工作机制，并且对齿轮的形状也做出调整，使它更加接近我们今天所看到的样子。

“不幸的是过去数百年来，只有艺术评论家们在研究达·芬奇，他们只看到他的画作，而并不能理解他的笔记、手稿。所以尽管他是位伟大的科学家和工程师，很多人还是认为他最巨大的成就是艺术。”塔戴向我反问道，“为什么《蒙娜丽莎》如此美丽？是因为他学习了那么多、尝试了那么多，他了解人物周围的灯光、阴影和反射，他非常擅长科学，并懂得如何用绘画呈现。这幅画成功背后的原因首先是因为达·芬奇是个科学家。”

“时间机器”三维重建模型

直到达·芬奇去世400年后，人们才有机会接触他这些手稿。“大约80年前，意大利才首次出版了达·芬奇的手稿。很多学者也都是从那时起才第一次真正全方位地认识了达·芬奇。对达·芬奇的真正研究发生在这个世纪。”

1957年，达·芬奇诞辰500年之际，意大利历史学家卡罗·佩德莱蒂（Carlo Pedretti）发现了他1495年左右为制作机械骑士而绘制的素描，这幅画作被隐藏在达·芬奇的无数设计中。1974年，拉迪斯劳·雷蒂（LadislaoReti）编辑的《马德里手稿》中再次提到了这个机械骑士。然而，直到1996年才有人试图重建它。

上世纪90年代初，机器人专家马克·罗舍姆（Mark Rosheim）发表了一份关于机械骑士的独立研究报告，解释了这个人物是如何“坐起来，挥动手臂，通过一个灵活的脖子移动头部，打开和关闭解剖学上正确的下巴——可能伴随着自动乐器如鼓发出声音”。罗舍姆认为，这种“移动机器人的先驱”甚至可能是“历史上第一个可编程模拟计算机的记录”。不过罗舍姆没有找到这个机器人的完整图纸，只是在报告中提到，与达·芬奇关于机器人的想法有关的手稿在《大西洋手稿》中，特别是第579r页。

2007年，塔戴对达·芬奇的原始手稿进行了新的研究，发现了《大西洋手稿》的第1077r、1021r和1021v三页可能是这个机械骑士设计的来源。通过这些新的信息片段，塔戴建立了一个新的机械模型，正确地与达·芬奇的图纸相关联，得出自己的结论：这个机器骑士的设计仅仅是为了防御目的，而不是为了战争或戏剧，它的运动与用绳子左右移动的手臂有关。他将这个研究成果发表在了《图解达·芬奇的机器人》一书中。

今天，达·芬奇的许多科学设想都在历史长河中由他人实现。然而，像塔戴这样的人为什么还要去重建那些古老的机械装置，不断研究达·芬奇时代的科学成果？塔戴说，这是因为他认为达·芬奇是一个“完美的榜样”。“我们终将会死，留在世上的将会是那些年轻的孩子……所以我的目标就是激励年轻人成为新的达·芬奇。” 达·芬奇马里奥·塔戴机械鹰巴黎手稿