機械能與功

在物理學嚴格的意義上，「功」指的是：一個力推著某樣東西、而這東西確實移動了，這時才做了功。把一個箱子推動一公尺，你就對它做了功；而靠在一堵紋絲不動的牆上，無論你多累，奇怪的是你做的功為零。能量則不過是「以後能拿來做功」的儲備——是一種由運動和位置隨身攜帶的「貨幣」。對機器人來說，每一個轉動的關節、每一條抬起的手臂、每一次合攏的夾爪，都在花掉或儲存這種貨幣；而把這本帳記平，正是「動力學」這整個領域所要做的事。

機械能有兩種日常常見的形式。動能是運動所帶有的能量——一台旋轉的馬達、一條快速揮動的手臂都有動能；它隨速度的平方增長，所以速度快一倍的連桿，能量是原來的四倍（這正是一條沉重的機械臂高速甩動時格外危險的原因）。勢能是位置所帶有的能量——把負載舉得越高，你就在它身上「存」進越多能量，一旦落下，這些能量就會化作運動猛衝回來。機器人時刻在兩者之間互相兌換：它花掉電能去做功、把零件舉高（儲存勢能），而這份儲存的能量，在下落途中又能變回運動。

這本帳不只是工整的物理，更是實打實的工程。知道一項任務需要多少功，就能算出你需要多大的馬達和電池；追蹤動能，就能知道要安全地煞住一條運動中的手臂有多難；而許多巧妙的設計會有意去儲存並重複利用能量——例如行走機器人腿上的彈簧，會接住每一次落腳的能量、再把它彈進下一步，很像袋鼠的肌腱，從而讓馬達省下大量的功。