机械能与功

在物理学严格的意义上，「功」指的是：一个力推着某样东西、而这东西确实移动了，这时才做了功。把一个箱子推动一米，你就对它做了功；而靠在一堵纹丝不动的墙上，无论你多累，奇怪的是你做的功为零。能量则不过是「以后能拿来做功」的储备——是一种由运动和位置随身携带的「货币」。对机器人来说，每一个转动的关节、每一条抬起的手臂、每一次合拢的夹爪，都在花掉或储存这种货币；而把这本账记平，正是「动力学」这整个领域所要做的事。

机械能有两种日常常见的形式。动能是运动所带有的能量——一台旋转的电机、一条快速挥动的手臂都有动能；它随速度的平方增长，所以速度快一倍的连杆，能量是原来的四倍（这正是一条沉重的机械臂高速甩动时格外危险的原因）。势能是位置所带有的能量——把负载举得越高，你就在它身上「存」进越多能量，一旦落下，这些能量就会化作运动猛冲回来。机器人时刻在两者之间互相兑换：它花掉电能去做功、把零件举高（储存势能），而这份储存的能量，在下落途中又能变回运动。

这本账不只是工整的物理，更是实打实的工程。知道一项任务需要多少功，就能算出你需要多大的电机和电池；追踪动能，就能知道要安全地刹住一条运动中的手臂有多难；而许多巧妙的设计会有意去储存并重复利用能量——例如行走机器人腿上的弹簧，会接住每一次落脚的能量、再把它弹进下一步，很像袋鼠的肌腱，从而让电机省下大量的功。