達文西的天才發明【全彩圖解紀念版】

32張發明手稿+全彩擬真VR立體圖像+精采的發明故事 　　達文西留給我們的遺產，是一座包含無窮盡的構想和直覺的寶庫，要完全抓住這位偉大科學家的全貌是一項至難的工作。而事實上，眾人皆知的發明品或在全世界展示的精巧復原模型，都還留存著許多尚未解開的謎題，正因為如此，遙遠的文藝復興時期的機械，至今仍讓研究學者們驚嘆不已。 　　在義大利著名達文西專家——多明尼哥•羅倫佐的帶領下，由當代兩位頂尖CG繪圖專家，首度嘗試將達文西發明手稿與機械草圖，以數位科技生動地呈現。 　　本書擬真的VR立體彩色圖像，輔以達文西研究專家對於發明的精采解說，讓您一窺達文西偉大發明的真實全貌。 　　達文西生於1452年，他手繪各式機械草圖與作動方式：飛行機械、自走車、殺人武器、印刷機、舞台裝置、指南針……，各種天才發明，並沒有留下具體實物，而只有草圖留存下來，卻為後世人們的生活帶來無可衡量的影響！ 　　達文西留下的遺產是一座無盡發想與視覺的寶庫，要完全抓住這位偉大科學家的全貌是一項至難的工作。 　　本書介紹達文西所繪製的32種機械草圖，經電腦數位轉化為3D立體VR圖像。作者為義大利著名達文西專家——多明尼哥•羅倫佐與兩位3D繪圖專家，嘗試了解達文西在草稿中所想要表達的技術內涵，並對達文西所設計的機械結構進行各種解讀，最後將解讀結果以電腦3D立體圖像表現出來，並展示於義大利米蘭的達文西博物館。 　　本書將機械結構視覺化的努力，就是實踐達文西所建立的機械設計哲學的現代版範例。在現代的機械設計過程中，工程師必須完成草圖、設計圖、零件圖與裝配圖等四種圖面。繪製草圖時，工程師將想要設計的物品畫出，過程中，工程師能夠發現各種不適切的構想，從而繼續思考。草圖可說是最能適切說明設計者整個思考過程的重要資料，也是工程師思考時的草稿。每當下一階段的圖面完成時，草稿將被丟棄。因此這種最能傳達設計者的設計思想且極具教育價值的草圖實例，很難出現在一般機械設計與工程教育的現場。 　　達文西所繪製的草稿圖，歷經五百餘年完整地出現在本書的每一頁中，這些草稿圖與作者的有關說明，將為機械設計與工程教育現場提供最具教育價值的參考資料與教材。

　　大同大學機械系暨研究所／賴光哲教授　推薦

001在天空飛行的機械Flying Machines 機械結構的翅膀 （原型） 大西洋手稿 1051v 1480～1485年 這是一種利用來回和旋轉運動為動力的構造。這一類的機械研究多半收錄在大西洋手稿中，也是解說在天空飛行的機械中複雜構造的基礎，是一項重要的裝置。 蜻蜓 阿士伯罕手稿 I 10v 約1487年 據說這個構想是達文西從鳥類或昆蟲等自然界生物中聯想出來，才因而開始研究在天空飛行的機械。這張紙稿被收錄於阿士伯罕手稿中，但原本是巴黎手稿 B的第一頁。巴黎手稿 B中，也記載了許多在天空飛行的機械研究。 翅膀 巴黎手稿 B 88v 1487～1489年 人類能夠像鳥一樣張開翅膀在天空飛翔嗎？──達文西終其一生挑戰著這個難題，這是一個為了探求「人類動力」的極限所發明的裝置。或者可以解釋成以機械來重現鳥類展翅的裝置。 空氣螺旋槳 巴黎手稿 B 83v 約1489年 這個裝置據說是直昇機的原型，但比起直昇機的構造，更著重於達文西對空氣和水的思考方式。他的論點是：空氣是有密度的物體，所以可以用機械「攪拌」它。總之這並非直昇機，而是一種空氣螺旋槳。 002武器War Machines 飛行器 巴黎手稿 B74v 1488～1489年 在天空飛行的機械的決定版。達文西夢想在空中飛行，反覆進行了許多研究，終於造就了人力飛行器的發明。草圖中清晰地描繪了從操作者處產生動力的「動力來源」，以及能讓裝置主體浮向天際的構造。 機械結構的翅膀 大西洋手稿 844r 1493～1495年 為了研究翅膀而被研發出來的小型模型。以手動操作桿來轉換旋轉運動和來回運動，用以活動翅膀，所以構造非常複雜。達文西發現動物翅膀在前端和根部會以不一樣的方式進行擺動，所以這是一種模仿動物翅膀擺動狀態所製作出來的裝置。 大砲 大西洋手稿 32r 約1482年 達文西發明了許多武器，但是其中以大砲的研究花費了許多時間。這是砲身可以自由活動方向的裝置，能夠上下、左右變換角度，也設計了保護砲身的木製覆蓋物。 多管銃砲 大西洋手稿 157r 約1482年 大家光看裝置的外觀應該就會佩服得五體投地，這是一種裝設了複數砲身，擁有驚異攻擊力的武器。這項裝置也是可動式，除了砲身可以自由轉向任何方向外，使用手動曲軸可以調節砲彈發射的角度。 防禦牆壁 大西洋手稿 139r 1482～1485年 不只是攻擊武器，達文西也擁有防禦武器的發明才能，這項裝置可以從開了攻擊用洞口的牆壁內側操作手桿，擊退攀登城牆來襲的敵人。而且不限次數，是一種不管敵人攻擊幾次都能「為了防禦而攻擊」的發明。 戰鬥馬車 杜林皇家圖書館 15583r 約1485年 達文西最精美的其中一幅草圖，很可能是為了獻給米蘭領主盧多維哥‧史佛薩所描繪的。這項裝置為馬車專用，尖銳的戰車鐮刀可以進行360度的全方位攻擊。 分解式大砲 大西洋手稿 154br 1478～1485年 這台重量級大砲，是如何運送到戰場上的呢？對於這個讓軍人們煩惱的問題，達文西提出的解決方式是「分解」和「組合」。 裝甲車 大英博物館素描室 1485年 若提起達文西的發明，裝甲車便是其中一種最廣為人知的裝置。但要製作一台「外殼堅固耐用，並備有強力砲銃的可移動式戰車」，即使是天才似乎也不是件容易完成的事。不管改良了幾次，問題還是多如牛毛，最後達文西放棄了這項發明。 要塞 大西洋手稿 117r 1507～1510年 這是達文西為了能夠進行「全方位防禦」，所構想出來的小型要塞。設計複雜地加入了嶄新的外觀，並設定了能讓當時的人們震撼的砲銃作為攻擊性新兵器。 003水力機械Hydraulic Machines 自動割鋸機 大西洋手稿 1078r 約1478年 這是一種切割木材的裝置，利用水流來轉動水車扇葉，藉此活動鋸子。鋸子的位置是固定的，木材會因為水車扇葉所連結的滑輪產生作用，而自行運動。 明輪船 大西洋手稿 945r 1487～1489年 比起手動划槳，達文西就是以這艘有效率的組合船，作為難題的解答。手動划槳的確是項辛苦的工作，但另一方面，若要划動這艘船還是必須轉動大型的水車扇葉，因此仍然非得使用人類的腳（還有手）來啟動裝置不可。 旋轉橋 大西洋手稿 855r 1487～1489年 這是一項精美的設計，橋身以設置在河岸的旋轉軸為起點進行轉動，能夠自由地操作水陸交通，由一人或一人以上的人力操作安裝在地面的起重機（絞車），進行旋轉組合。 挖泥船 巴黎手稿 E 75v 1513～1514年 這是一種疏浚河床的船隻，是為了進行河床工程所發明的。雖然這種裝置在當時早已存在，但達文西想出更洗鍊的構造，例如，裝置中的船身不止一艘，如果有二艘，那麼船身便會更加安定。 004工程機械Work Machines 來回運動的機械 大西洋手稿 30v 1478～1480年 為了研究將來回運動變換成旋轉運動，所研發出來的裝置。是一種前後活動控制手把，捲起鋼索，以提起秤錘的工具。 銼刀製造機 大西洋手稿 24r 約1480年 這項裝置應用重量和重力，自行啟動裝置。沉重的榔頭以一定的間隔落下，為被放置在運送台上的金屬板，雕刻細緻刻痕。 凹透鏡研磨機 大西洋手稿 87r 約1480年 一轉動控制手把，被放置在地面的石材，以及與其垂直放置的研磨盤便會開始旋轉。因為兩方都分別旋轉，所以可以打造出一面平滑的凹透鏡。 運河挖掘起重機 大西洋手稿 4r 1503～1504年 這是為了改變河川流向的土木工程，所發明出來的機械。處理完龐大的作業量，隨著工程的進行，機械也會跟著緩慢前進，這種能夠將河床上的土搬運至河岸的構造也很出色。 005儀式裝置Theatrical Machines 自走車 大西洋手稿 812r 1478～1480年 這並不是被當成移動工具的汽車，而是比汽車更大膽、更有野心的設計。這項裝置不用人類的雙手控制便能跑動，也能夠轉彎。想像它不需要操作者，也能自行在舞台上活動，吸引觀眾目光的情景。可以說是天才達文西一項生動的發明。 《奧菲斯》的舞台裝置 阿藍道手稿 231v 約1507年 達文西參與了許多的舞台工作，這是巨蛋型裝置，是一種可以左右開展的大型構造。 006樂器Musical Instruments 獸頭里拉琴 阿士伯罕手稿 I Cr 1485～1487年 若要說是為了實際演奏而發明，不如說是時髦的小道具會來得恰當些吧。源自於古代仿造動物頭部的樂器。 自動演奏大鼓 大西洋手稿 837r 1503～1505年 從在街上遊行的樂隊聯想而來並研發的裝置。也可能是一種為了在戰爭中激勵士兵、威嚇敵人所使用的樂器。裝置包括了裝設車輪，一面由人類或動物拖拉，一面演奏等等數種變化。 提琴式風琴 大西洋手稿 93r 1493～1495年 這個裝置的構造相當複雜，讓人有些猶豫是否要稱其為樂器。使用著裝工具，就可以戴在身上演奏。裝置裡面裝設了馬毛做成的樂弓，和連結鍵盤的弦相互摩擦後就會發出聲音。與其稱之為鍵盤樂器，不如說更接近提琴之類的弦樂器。 007其他機械Other types of Machines 印刷機 大西洋手稿 995r 1478～1482年 利用壓力讓紙活動並進行印刷。操作起來非常簡單，只要使用一次操作手把，就可以完成一連串的工作程序。 距離計算器 大西洋手稿 1br 約1504年 這項有著奇妙外型的裝置，由人類拖拉運作，並同時計算所移動的距離。構造複雜，每次行進一定的距離，小石頭或鐵製、木製圓球就會掉落到箱子中，使用者可以從箱子積存的圓球數量，去計算移動的距離。 圓規與兩腳規 大西洋手稿 696b 1514～1515年 達文西發明的精髓，兼具機能性和設計感。是一種既樸實又能在無意識中吸引他人目光的製圖用具組，而這個範例更是其中的夢幻逸品。

序 　　達文西的發明只有草圖流傳至今，即使他的發明被具體實現，到了今日可能還是無法被完整保存下來。此外，他在構思的過程中可能製作的模型也完全佚失，就如同未完成的名畫《安吉里之戰》（The Battle of Anghiari）般，被留下的只有為數眾多的草圖而已，實物則完全不存在。 　　然而，如果大型發明品代替草圖被留存下來的話，很可能還是會散佚無蹤吧。達文西認為這些機械的設計不僅應該是一種哲學式思考，繪圖也是（近乎）完美且理想的表現方式。也許對於大多數的發明家而言，繪製草圖（機械的使用方式，以及其中的構造、零件的相互關係）便可以代表一切。然而，達文西仍然沒有把繪製草圖當作最重要的一環，對他來說，所繪製的圖片背後潛藏的意義──設定機械外型所憑藉的理論，以及形成這項理論的繪圖方式──更為重要。 　　許多達文西所設計的機械，都是將其科學發明理論轉換成有形之物，也就是說，達文西不是用語言，而是用圖像來表現理論。 　　舉例來說，達文西所繪製的巴黎手稿B 80r中，被稱為飛行船的機械草圖便是一系列關於人類動力的研究以最終極形式呈現出來的心血結晶。達文西要研究的不是在天空飛翔的機械，而是「為了產生人類動力而被研發出來，擁有操作座位的裝置」。而他神祕又新奇的機械發明，就是因為以上這些目的而產生的。其中被繪製成草圖的機械各項要素，若要說是所謂的現實，不如說是一種以想像或假設為設定背景的裝置。 　　十五世紀文藝復興時期的繁榮的義大利，繪畫的學術意義是被眾人所認可的。例如，即便是羅貝魯多斯‧羅伯特（Valtrius Robertus，1405-1475）在其著作《軍事論》中解說戰鬥工具，也使用了許多圖片。此外，弗朗切斯科•毛利吉歐•迪•喬治•馬提尼（Francesco Maurizio di Giorgio Martini，1439-1475）則對繪畫給予更高的評價。他認為機械設計圖是一種知識表現，也是人們口中所謂的專業技術人員所擁有的一種專門技術。弗朗切斯科甚至主張在機械的設計中，三次元的立體模型是不可欠缺的一環，詳細敘述如下。 　　「僅以圖像來表現所有事物是很困難的，將無數各部分相互重疊的細節完整描繪出來更是難上加難。正因為如此，才需要表現成品的立體模型。」（節錄至《建築論》） 　　然而，弗朗切斯科的論點卻不適用於達文西身上。達文西的確沒有將發明、繪畫、人體解剖等各種研究的過程製成立體模型。但無論是在設計或發明的時候，比起模型，達文西更注重草圖的繪製。 關於繪畫，喬治•瓦薩里（Giorgio Vasari）在其著作《文藝復興藝術家列傳》（Lives of the Artists）中引用希臘的格言加以說明： 　　「卓越的藝術家只要見到其中的某處細節，便能夠重現其外觀、大小以及完美的整體。如果看到獅子畫像的爪子，就能夠重現整體的圖像。」 　　根據瓦薩里的說法，這就是畫家所表現出來的卓越知性。他認為雖然繪畫就是人類以雙手描繪物品，是一種單純的知性工作，但也曾表示「從這個觀點來看，思考或判斷會以精神來完成，而以雙手完成的便是所謂的畫作。」 　　瓦薩里如此評論繪畫的學術意義和機能，是十六世紀中期的事情，也由於這項「機能」，繪畫對於達文西來說，便是一種最好的表現手法。正因為如此，達文西不只對於藝術，也使用繪畫來研究科學、技術等各項領域。 　　為了探求達文西的繪畫知識性意義，我們試著從他的作品和繪畫觀念中來進行思考。達文西創造了一種所謂的「朦朧畫法」（sfumato，不描繪輪廓，只以陰影表現出自然的立體感），並廣為人知。達文西作畫時不喜歡以輪廓線進行構圖，他認為以光學的角度來看，人類的雙眼並無法清楚地捕捉輪廓。此外，從哲學的觀點來看，他也認為人類體型的輪廓是無法被清楚描繪出來的。 　　他曾經表示：「輪廓並非物體的一部分，這是因為某個物體的終點便是某個物體的起點，（中略）因此，所謂物體的終點並不代表任何東西。」人類身體的輪廓便是包圍身體的空氣的起點。也就是說，理論上人類的身體一開始本來就應該不存在輪廓的。 　　如果物體沒有輪廓的話，那麼所謂的繪畫便成為一種用超越寫實來重現現實的行為──一種再構成眼前可見的現實，並製造出非現實的行為。達文西意識到這點，仿造現實描繪出來的機械草圖便已經不再是圖像，而是一種只存在於心中的非現實物體──也許達文西就是這樣認為的吧！對於製造機械，他認為要貫徹「現實主義」，而這正是值得注意的部分。 　　關於達文西和草圖的關係，流傳著以下的小故事：達文西應教皇李歐十世（Pope Leo Ⅹ）之邀滯留羅馬時（1513-1516年時），遭受了某項災難。他為了教皇的弟弟，也就是達文西的贊助者朱利亞諾‧梅迪奇（Giuliano de Medici）所分派的助手，一個叫作喬治的德國人傷透了腦筋。助手喬治不僅要求比最初談好的數字更高的酬勞，而且總是不工作，整天閒晃，卻將達文西的發明告訴其他人，因此，達文西便在給朱利亞諾‧梅迪奇的信中寫了以下的內容： 　　「接著，我的助手告訴我，他想要『木頭模型』，我想他打算用鐵再製造一個模型，並且帶回故鄉去吧。我後來跟他說：我不會給你模型，但是會把記錄了機械寬度、長度及高度和形狀的『草圖』給你。然而之後，我們兩人便因此產生了嫌隙。」（節錄至大西洋手稿手稿671r，括弧為筆者添加上去） 　　根據這封信的內容，首先那位助手向達文西要求研發的機械模型，並且打著自己日後再製作一個，然後衣錦還鄉的如意算盤。但這時候達文西將模型取而代之的是，表示願意給他記錄了「寬度、高度及高度和形狀」的草圖，這張草圖應該是立體圖，並且很可能是一份繪製了各種角度的圖像。然而，毫無信用可言的助手，為什麼會向達文西要求設計圖呢？ 　　總之，就是助手看不懂達文西的草圖，如果想要依照草圖製造機械，就必須要有「達文西」的協助，所以達文西回答助手要將草圖給他，目的是要告誡助手不要告訴別人研究內容，並要他好好工作。這些草圖要比立體模型包含更多的情報，因此為了能夠讀通這些草圖，其中的相關知識是必備的（各部分的比例關係等）。在這裡，也可以說是產生了和過去工作室不同的新工作室型態，他們不是使用模型，而是使用圖像，並且要求技師們不只是要用雙手製作，還要用頭腦思考。 　　其次，達文西的機械並不是不可能以立體畫像或電腦圖形圖像重現，相信也有人在展覽會場等地方看到這樣的重現作品。然而，這些重現後的圖片，再怎樣也只是將重點擺在使用的方式上而已。而在此之前的研究，也都只是以機械的製造目的為重點，所以大眾往往忽略了達文西的草圖中所包含的知識意義。也因此，本書正好一面產生達文西的構想與草圖的繪畫價值，一面重現影像。 　　泰迪和扎農正好在本書中，完美地呈現這種精神，為了可以讓讀者輕鬆理解機械的運作，所以將草圖轉換成立體圖像，並且從各個角度描繪出裝置的外觀、分解圖、箭頭符號等豐富的表現。他們將達文西草圖的繪畫價值，毫無綴飾地以重建模型創造出來，而我也是和他們兩人一樣抱持著相同的看法進行解說。 　　最後，關於介紹達文西的機械發明展覽會，佛羅倫斯科學史博物館館長保羅‧高魯齊進行了前所未有的「哥白尼運轉」的計畫，展示的重點是達文西的草圖，重建模型則是為了補其不足而展示的。而本書的目的正是要一方面充分考量達文西研究的科學意義，一方面揭示這種「運轉」的可能性。

001飛行機械Flying Machines 機械構造的翅膀 蜻蜓　　　　　 拍動的翅膀　　 空氣螺旋槳　　 飛行器　　　　 機械翅膀　　　 在義大利烏菲茲（Uffizi）所發現的手稿中有關於飛行機械的記載，它屬於非常古老的手稿（447E）。那時的達文西正致力於研究在慶典中演出的舞台裝置，而飛行機械就是其中一項研究。 當時在佛羅倫斯，布魯涅內斯基（Filippo Brunelleschi）和安德利亞‧德爾‧維洛及歐（Andrea del Verrocchio）兩位工程師和藝術家，成功地發明了舞台表演裝置，因而贏得眾人的讚譽。達文西必定抱著戰勝前輩的決心，這一點從充滿野心與熱情的這張手稿中即可窺見。這些手稿之中，還記錄了他對於飛翔中的鳥類的飛行曲線的觀察。 在那之後，達文西離開了機械的研究和實驗，一頭栽進了動物學和理論的世界。1482年，達文西為了能夠成為米蘭公爵盧多維哥‧史佛薩（Ludovico Sforza，又稱摩爾人盧多維哥Ludovico il Moro）的專屬工程師，而啟程前往佛羅倫斯。但是在寫給盧多維哥‧史佛薩的自薦信中，卻完全沒有提到飛行機械。也許對於達文西來說，飛行機械只是一種舞台裝置，或者在天空飛翔只能算是一種愚蠢的夢想罷了。 但是，自古人類就懷抱著　翔天際的夢想。而且科學裡沒有所謂「不可能的事」，先人也確實留下了許多飛行實驗的記錄。不但十三世紀的英國哲學家羅吉爾‧培根（Roger Bacon）曾經想過人類以人造翅膀在天空中飛行的可能性，就連建立於十四世紀的喬托鐘樓（Campanile di Giotto）的最下層也有代達羅斯（Daedalus，伊卡洛斯（Icarus）之父，在肩膀上裝上人造翅膀）肖像的浮雕。雖然，代達羅斯只是希臘神話中的人物，但是縱使是虛幻的故事，我們也能從中了解到在充滿文藝復興文化的、華麗的佛羅倫斯，確實曾存在人類飛翔於天際的夢想。達文西便曾專心致力於實現這個夢想，並將之提升至科學領域。而這是他移居米蘭之後的事情。 也許算是辜負了大部分的人的期望，達文西在1480～1490年間所研究的飛行機械，可以說和鳥類及昆蟲的研究毫無關連（動物的研究也在這個時期中斷，一直到1500年之後才再度展開）。達文西從十五世紀末開始實際投入人力飛行器的設計，其理論根據是解剖學和力學（重量和運動的關係）的研究。當時達文西正致力於研究解開人體的解剖構造及人體比例和重量作用、運動的動力學的特性。雖然當時運動學中有關「重量」的研究已經被確定是一個重要主題，但仍然停留在紙上談兵的階段，科學家尚未考慮將其實際應用於生活中。 在這樣的時代背景下，達文西早就從1480年代開始研究人力應用的可能性，而且埋首於在研究筆記中描繪各種人類在天空飛行時的草圖。在這段時間他所發想的飛行機械，多半和人體研究有關。 雖然在有名的「撲翼飛機（Omithopter）」（原稿 B 80r）的翅膀活動部分，是模仿昆蟲翅膀的拍打模式，但從裝置中半圓形的外觀，或是操作方式來看，都顯而易見地不是依照動物研究所設計出來的。這項裝置的目的是為了能儘可能地引發出人體動力，為此，達文西甚至在飛行員的手腕、腳、頭部裝設了複雜的機械構造，飛行員不須操作機械，他們要讓機械翅膀動起來，並使盡全力產生讓飛行器騰空的動力。達文西另外發想了需要旋轉與操作的飛行器，駕駛則橫躺其中。撲翼則是參考了昆蟲和鳥類的飛行方式（大西洋手稿 824v、原稿B 79r等等）。此外，雖然有幾張草圖，如大西洋手稿 70br、846v屬例外，目前已知達文西是將以使用人力為目的的發明，和使機械旋轉為目的的發明分開進行研究的。 達文西在1500年代初期回到佛羅倫斯後仍然持續進行飛行機械的研究，與過去不同的是，這次是以觀察自然界和動物、鳥類的飛行方式為主所進行的研究。達文西花了很多時間在戶外觀察鳥類，而記載著日期的手稿大概只有口袋書的大小，其中潦草地記錄著草圖和筆記（原稿L、K1等等）。原稿K1中有時候會反覆出現相同的草圖，那也可能是達文西回家後將在戶外潦草的筆記又重新拿出來思考描繪所致。 此外，以「關於鳥類飛行」為題的稍大尺寸的研究筆記所記錄的時間也是大約從此時開始的。達文西在這個少數只鑽研某一主題的珍貴筆記本上，記載了昆蟲和鳥類飛行方法，也發想了些模擬蟲鳥的飛行機械。達文西自此開始挑戰設計完全模擬鳥類的機械。 「鳥類飛行手稿」的筆記中，又可以分為自主振翅的主動飛行方式，以及借助風力的被動飛行方式兩種。相當有趣的是兩者都是從解剖學和航空力學的理論來觀察鳥類的飛行，以及根據其觀察結果來研究飛行機械的構造，這兩個觀點來進行研究的。