重新发明轮子：技术史上的重复尝试Reinventing the Wheel

今日 Tedium：轮子（以及捕鼠夹）堪称标志性发明。这也不无道理——轮子是最简单的机械之一，仅就其在运动领域的应用而言，它所实现的运输速度与规模堪称革命性突破。然而，轮子也有两大缺陷：一是需要一整条道路基础设施才能发挥全部潜力；二是只能朝其指向的方向前进。近200年来，一系列鲜为人知的发明试图解决这些问题，但大多收效甚微。这些便是新型轮子。——约翰 @ Tedium

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驱动螺旋：对经典的巧妙改造

1899年，雅各布·莫拉思为一种拖拉机申请了专利，该拖拉机以一对尖锐的螺旋钻取代了传统车轮，在推进车辆的同时翻耕土地。

这两个螺旋钻反向旋转——这一稳定技术后来被广泛应用于所谓的阿基米德螺旋车辆中，而莫拉思的设备正是这类装置的首创，如今在航空领域也相当常见。由于两个螺旋桨反向转动，它们能抵消任何侧向运动，尤其是当它们长度远大于宽度时。这种装置可在相对平坦的地形上直线行驶，行进过程中会翻动地表土壤。但转向却成了难题，莫拉思通过让螺旋钻与车轮联动来解决这一问题（螺旋钻下降时车轮抬起，反之亦然）。八年后，在莫拉思专利到期前，竞争对手皮维提出了解决方案：通过升降其中一个螺旋钻来改变其与地面的接触面积。升起的螺旋钻基本打滑，因此车辆会朝着降下的螺旋钻方向移动——这一设计后来也在某些轮式机构中有所体现。

螺旋车辆在农业领域并未取得成功：莫拉思的设计似乎从未实际建造，后来的变体也无法与坦克履带的新技术竞争。不过，20世纪20年代，阿姆斯壮雪橇马达证明，螺旋驱动（这次是厚重的滚筒）确实存在市场——人们可以将它连接到现有的汽车或拖拉机上，使其在深雪中疾驰而过。

第二次世界大战期间，痴迷冰层的间谍/疯狂科学家杰弗里·皮克极力推动英国在雪地作战中使用螺旋而非履带（就像他极力主张用冷冻纸莎草制作航空母舰一样），但最终未能成功。最终，坦克履带仍是主流选择。

直到20世纪60年代，螺旋车辆才找到其（极其有限的）用武之地：水域。一个带有外部螺旋的大中空滚筒在雪地、泥土和泥浆上尚可勉强运作，同时还能充当浮力推进器，因此这类机器理论上具备全地形能力。但实际上，通常更明智的做法是使用专门适配特定环境的车辆，而非那种处处平庸的通用车型——除非，像齐奥尔科夫斯基研究所（ZIL）的预期用户那样，你是一名迷路的宇航员。

轮中之轮：层层皆是轮子

螺旋推进的一个有趣之处在于，尽管螺丝本身呈轮状，但你的移动方向却与车轮转动时的方向垂直。因此，将车轮与螺丝的概念结合起来，为复合轮开辟了新的可能性——这些奇特的、多眼且凹凸不平的装置，通过在轮子上安装（或嵌入）其他轮子，实现了无需转向即可改变方向。

这种设计的最简单形式是全方位轮（omni wheel），即动力轮垂直环绕在中心轮的边缘。通过停止大轮并激活小轮，你可以实现垂直方向的移动，尽管速度会慢得多，因为你实际上是在更小的轮子上滚动。

另一种变体是伊隆轮（以发明者命名，也被称为麦昆轮，因生产它的公司而得名，又因发明者的国籍而被称为瑞典轮），其结构是在一个轮子的周围以45度角安装动力轮。它本质上是一个由轮子组成的螺旋结构，安装在另一个轮子上。单个伊隆轮可以在两个轴上前后移动，但四个这样的轮子组合起来则可以实现原地旋转以及侧向移动。

所有这些设计的问题在于，实际与地面接触并旋转的面积取决于移动方向。因此，当用于重型车辆时，这些轮子能够实现的各种奇特运动都会变得非常缓慢。正因如此，这些轮子主要应用于机器人和分拣机器中。

三星级影业，通往赛格威的过渡

20世纪60年代末，波音公司的几位工程师尝试将“轮中之轮”的概念应用于全地形车，他们通过将中心轮简化为一个抽象概念来实现这一目标。三星级轮式布局采用三个轮子组成三角形，彼此连接的方式使得整个轮组可以自由转动，同时每个轮子都由同一动力源驱动。

在平坦地面上，车辆依靠两个轮子行驶；如果遇到足够深的坑洞足以困住普通车辆，整个轮组则会翻转过来，而你几乎不会察觉到颠簸。

与螺旋推进不同，三星级配置的每个轮子与地面的关系更为直接，能量损耗也更低。如果你需要，还可以获得像汽车轮胎那样厚实且接触面积良好的接地效果：一辆改装了这种轮子的汽车仍然可以保持高速公路上的行驶速度。

然而，你需要三倍的轮子和轮胎数量，还需要额外的框架和动力传输硬件。此外，由于前轮长度加倍，车辆的转向性能也会受到很大影响。

即使是军队，也很少遇到足够多的深坑来证明这些权衡是值得的：他们对这项技术的兴趣似乎仅限于20世纪70年代在一门原型火炮上安装了一个这样的轮子。

相反，三星级轮子走向了大银幕，成为1977年电影《末日迷航》中最引人注目的视觉元素——兰德大师，这辆装甲两栖坦克是整部电影唯一令人难忘的部分。

（兰德大师如此令人印象深刻，以至于它出现在许多其他作品中，并启发了一款同名但缺乏标志性轮式系统的电动拖拉机。相比之下，这部电影反而毁掉了原本广受好评的短篇小说的名声，而这篇小说早已因糟糕的小说化改编而受损。）

如今，三脚架结构主要应用于爬楼梯轮椅（尤其是迪恩·卡门在发明赛格威之前最著名的作品），而NASA则更倾向于用其蜘蛛般的摇臂-摆杆悬挂系统来解决相同问题——这种设计能更好地保持车体稳定，且运动部件更少，同时看起来也更具未来感。

平台并不仅限于乐高积木

我们车辆底部驱动轮呈环形排列，形成一个抽象意义上的"圆轮"，目前我们一直忽略这个结构。当车辆旋转时，实际上是在转动这个虚拟的圆轮。

通过两个独立驱动的常规车轮和一个万向轮，我们可以实现前进后退（保持两轮动力一致）、缓慢转向（给其中一侧车轮施加更多动力）或原地旋转（完全关闭其中一个车轮的动力）。

这就是差速驱动平台，如果平衡得当甚至可以移除万向轮。但双轮差速驱动的问题在于：没有万向轮提供第三个接地点，一旦速度过快，车辆就会前后翻转。必须非常谨慎地控制重心位置（而且万向轮很容易卡住，用过购物车或办公椅的人都知道）。

于是出现了全向驱动：不再使用平行双轮的差速，而是采用三角形排列的三个轮组之间的差速。若这些轮组可旋转，则称为同步驱动；若使用全向轮或Ilon轮，则称为Kiwi平台。

若改用"线性轮"（即一对垂直放置的厚轮，沿边缘着地），则称为Killough平台。

相比四轮布局，三个轮组配合旋转和移动时摩擦更小。使用线性轮时，无需像全向轮那样调整滚轮与主轮体之间的尺寸差异。

这些平台能完成各种令人惊叹的高难度动作，但需要计算机控制——转向涉及大量数学计算——因此主要用于机器人领域，而非载人或遥控车辆。事实上，我很难找到非乐高材质的全向驱动平台图片！

尽管有工业应用，但它们似乎源于约20年前短暂流行的高中及大学机器人俱乐部热潮——当时激发了现在已成为资深工程师的孩子们想象力。

我们的清单一直在回避几个巨大的空白：就像我们讨论过的新型车轮一样，这些技术同样成功且无处不在，以至于我们不再认为它们具有创新性。你可能熟悉其中的几种：

从很多方面来看，车轮本身其实是“新”的：将车轮视为最伟大发明之一的说法，本身就是20世纪才出现的观念——当时道路基础设施大规模扩建，以支持汽车和自行车这些新型轮式交通工具。只有在铺设有优质沥青、维护良好的现代道路上畅通无阻时，乘坐带轮子的车辆才明显优于骑马或步行。

事实上，历史呈现出一种规律：无论是车轮本身的发展，还是其各种变体，都遵循着相似的轨迹——在发明后的数百年甚至数千年里，车轮主要用于玩具或低负载场景。直到设计改进与基础设施变革同步发生时，它才突然被广泛采用。

三排星型线性螺旋轮组的时代即将到来，我敢肯定，在鱿鱼人入侵之后。

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感谢约翰分享他的文章。请务必访问他的网站。

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