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《重甲機神》的科學與不科學,堂堂登場!|重甲科不科?00話

PanSci
・2019/10/15 ・1938字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/施奇廷│東海大學應用物理系暨研究所 教授兼系主任

y編按:一日科宅,終生科宅。而身為終極科宅,只有科學家這個身份還不夠!當然要製作一部滿滿熱血的動畫啊!

於是全世界第一部誕生於物理年會的動畫電影就在兩個有中二魂的物理學家 AIplus 和 ZERO ,以及可能邊吐槽「你們是認真的嗎?」但還是擔下《重甲機神》導演的 Jo-Jo 手下誕生了。《重甲機神》於2016年在 FlyingV 平台上募資,短短兩個月便有331人響應,募得超過1,200,000元,達標率高達221.8%,創下 FlyingV 動畫類募資的最高紀錄。

而這麼科宅的計畫,泛科學怎能缺席!不只電影要看,更要讓我們一起來好好吐槽聊聊《重甲機神》裡的那些科學與不科學!

企劃發想歷經 12 年,製作期間長達五年,大家期待已久的台灣第一部科幻動畫電影《重甲機神 Baryon.神降臨》,終於要在 11 月 8 日全國上映啦!

這是一部有兩位同時是「物理宅」又是「巨大機器人動畫宅」的物理學家直接參與故事原案與編劇,兩種宅力同時引爆的作品!

在此跟各位讀者們隆重介紹兩位宅力引爆的物理學家:東海大學物理系施奇廷教授(右)與中原大學物理系許經夌教授(左)XD source:東海大學

當然,從片名開始,作品裡面也因此有滿滿的科學梗。我們希望達到藉由搭「動漫娛樂作品」的便車來推廣科學,但是又不希望在故事裡面講一大堆科學的設定與知識,反而拖累了故事的進行。所以我們的作法是,在作品中是簡單提到或帶過,也許觀眾會聽到某些科學名詞卻不知道是什麼意思,沒關係,這並不會影響劇情的理解與觀影的樂趣。

如果對這些「裡設定」的科學背景想要進一步理解的觀眾或讀者,可以到「泛科學」來,我們將在此推出一系列的文章,來探討這些「重甲機神的科學與不科學」!

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從「販賣夢想」出發,重甲機神的現實與不現實

光是一部巨大機器人動畫作品號稱「科幻」,可能就要引來一堆吐槽了。

的確,「巨大機器人」這個主題要成立,科學的力量不可或缺,也可以有很多討論科學與技術的空間。但是就現實而言,在現代或近未來的地球,「建造巨大機器人」這件事,其實是花了大量資源製造了效用很低而且問題一堆的東西,現實上應該去造飛機戰車這種「正常武器」才對。

不過電影畢竟是「販賣夢想」的領域,所以就算「巨大機器人」這個主題是根本上的脫離現實,在動畫與電影的世界中,依然是可以成立的。

就像在《海底總動員》這部電影中擔任科學顧問,任教於華盛頓大學的 Adam Summers 教授訪台演講的時候提到,《海底總動員》上映後,一堆他的同行專家都來抱怨設定有問題:比如說「雙髻鯊的眼睛位置不對」、「大白鯊 Bruce 沒有鰭足」(clasper,白話文是公鯊魚的……嗯,雞雞),還有更恐怖的,「小丑魚 Nemo 的媽媽死後,他的爸爸 Marlin 將會變性成雌性,然後與 Nemo 交配」……

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如果劇情的科學要合理,媽媽死了的 Nemo 應該會和爸爸 Marlin 交配…… 圖/IMDb

不過面對這些生物學上的質疑,Summers 教授簡單回一句:

「Well, fishes DON’T talk. (好吧,魚是不會說話的)」

意思就是「魚會說話」這件事在科學上的嚴重性遠高於前面那些生物學上的考據。

不過如果不讓魚說話,整個故事都不可能成立了,所以乾脆就以「輕鬆長知識」的態度,一方面可以做嚴謹的科學考據,發現錯誤就吐槽,有正確的部分可以讚賞,以這種方式看待娛樂作品中的科學,應該大家都能很開心吧!

我們的看法也是這樣,姑且先接受「巨大機器人」這個非現實的前提,然後再來談作品中的科學與不科學。在這個系列文章中,我們會跟大家分享在《重甲機神 Baryon》中,所用到的科學設定以及意圖,有一部份的設定與科學的事實抵觸。

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不過為了顧及演出的需求,我們決定犧牲部分的科學合理性,我們也會老老實實的在這裡寫出來(並且自我吐槽),畢竟連有諾貝爾獎得主盯著看的《星際效應》,也不可能把黑洞做成黑色,放在漆黑的宇宙空間中吧!雖然這樣才合乎科學,不過觀眾大概只會以為電影院的放映設備壞掉了。

《重甲機神》誕生的使命:喚醒大家的中二魂夢想與興趣

我們希望能透過電影以及這個系列的文章,能喚起大家對科學的夢想與興趣。當然啦,也希望大家能夠支持《重甲機神 Baryon.神降臨》這部作品。雖然它比不上《復仇者聯盟》的豪華特效,也比不上《天氣之子》的神級作畫,不過,這是一部台灣人做給台灣人看的故事,還是有些我們獨有東西,不是在好萊塢鉅片或是在一流日本動畫裡面看得到的。

接下來就讓我們一起來期待系列文章吧!

更重要的是:11 月 8 日,我們戲院見!

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電影中的科學
Rock Sun
・2021/04/08 ・71字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

光劍打蚊子效果卓越,真心不騙!

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Rock Sun
56 篇文章 ・ 3 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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超巨大機器人科學嗎?那我們來說說《重甲機神》到底有多重|重甲科不科?04
PanSci
・2019/11/26 ・2260字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

大家有沒有想過,為什麼我們人類的身高,大致上就是一公尺多到兩公尺,體重就是幾十到百來公斤?在各種神話、傳說、科幻、奇幻故事裡面,以同樣比例與型態巨大化或微小化的人類,有可能存在嗎?

像「重甲機神Baryon」這樣的巨大人形機器人的設定,合乎物理學嗎?

這個問題早在四百多年前,有「現代科學之父」的物理大師伽利略就已經在他的「兩個新科學之間的對話」(Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences)中討論過。

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伽利略以及其著作「兩個新科學的對話」。圖/維基百科

簡單的說,當動物等比例放大時,若「長度」(如身長)增加為10倍,則體積會變成10的三次方,也就是1000倍,由於構成身體的成分大致不變,密度應該相同,所以體重也會變成1000倍。

然而動物是以骨骼與肌肉來支撐自身的體重,最主要的是大腿骨。骨骼的支撐力又與其截面積成正比,長度增加10倍,骨骼截面積乃至於支撐力將只會增加100倍,結論是如果是「等比例放大」的話,動物的身體強度將無法支撐自身的體重,所以我們看到現存體型較巨大的動物,如大象,骨骼變粗的程度必須大於變長的程度,也就是大型動物的體型比例會比較「粗、短」,這種現象稱為「異速生長」(allometry)。

體重可達數噸的大象(左)與體重約三公斤斑尾虎鼬(右)的骨骼,型態上有不少相似之處,但是比例上大象的骨骼(尤其是大腿骨)必須比鼬鼠粗壯很多,不能以等比例放大。

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所以如果人要變成「巨人」,身體的比例與構造又不變的話,是會被多出來的體重壓垮的,硬要「變身」的話,有兩個選擇,一個是要變成矮胖體型,增加各種身體構造的截面積,另一個就是像「進擊的巨人」裡面的50公尺的超大巨人一樣,密度極低,所以體重沒有以身高的三次方成長,不會還沒去爬牆就先自己把自己給壓垮了。

生物的世界中大體上要符合上述的「平方、立方法則」,不過純粹是「人造物」的巨大機器人又是如何呢?讓我們先來看看「先聖先賢」們的例子。首先當然就是從「人類坐在體內駕駛的巨大機器人」的老祖宗「無敵鐵金剛」開始囉!

指揮艇——組合。圖/imdb

無敵鐵金剛的身高18公尺,大約是一個相當高大的成年人的十倍,先假設這個人體重80公斤好了。因為鐵金剛是「人形」機器人,所以就當它是個等比例放大十倍的人類,體積就是人類的1000倍,如果鐵金剛是跟人類一樣的血肉之軀的話,體重就會是80公噸。無敵鐵金剛有「黑鋼之城」的鋼鐵軀體,應該比人類重吧!

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剛好相反,根據官方設定資料,鐵金剛的體重只有20公噸,換算成密度(每單位體積的質量),只有人體的1/4,人體與水密度相仿(1 g/cm3),所以把人丟進水裡會是「載浮載沈」,這麼一算,無敵鐵金剛的密度只有0.25 g/cm3,跟軟木塞差不多,以後乾脆改稱「無敵軟木塞金剛」好了!

當然材質輕盈也有很多好處,動作可以比較靈活快速,不過根據物理學中的碰撞理論,它的招牌攻擊絕招「金剛飛拳」,或是直接用身體衝撞,就會因為質量不足而威力大打折扣了!

算完密度,軟木塞危機在心中揮之不去。圖/imdb

如果看近一點的作品,而且是跟重甲機神一樣在水中戰鬥的巨大機器人,那當然非《環太平洋》中的「吉普賽危機」(Gipsy Danger)莫屬了。

吉普賽危機身高79公尺,體重1980公噸,一算密度,0.29 g/cm3 挖咧又是個軟木塞!這些做巨大機器人作品的人,是有多愛軟木塞啊!密度這麼低要怎麼沈入海底戰鬥呢?這就要有模仿潛水艇的機制了,機體內部必須有71% 以上的體積是「空的」,可以注入海水,就能讓整體密度高於水而下沈了。

為了避免重甲機神變成另外一個軟木塞,我們在決定了身高是80公尺之後,不是先訂體重,而是先決定密度。最佳的參考對象,當然就是現役的潛水艇了。

既然有前車之鑑,我們決定把最佳的參考對象改為潛水艇。

以美國的「俄亥俄級」核子潛艦來說,全長170公尺,潛航深度240公尺,水上排水量為16,764噸,潛航排水量為18,750噸。由物理學中的浮力原理「潛航潛艦所受浮力=潛艦體積×海水密度(1.03 g/cm3)」可知,潛艦的總體積約為18204立方公尺。另一方面,「浮於水面上之潛艦所受浮力=潛艦本體重量」,即為16,764噸,所以俄亥俄級潛艦的密度為0.92 g/cm3。以此為參考基準,我們將重甲機神密度訂為0.92 g/cm3

俄亥俄級核子潛艦的初號機「俄亥俄號」,可搭載24枚「三叉戟I型」彈道飛彈,每顆飛彈可以攜帶6個核彈頭,可說是毀滅性的武器,也因此成為冷戰時期為背景的軍事電影中的常客,例如東尼‧史考特導演,丹佐‧華盛頓主演的《赤色風暴》(Crimson Tide, 1995)與詹姆斯‧卡麥隆執導,艾德‧哈里斯主演的《無底洞》(Abyss, 1989)都有登場。

又高又帥的重甲機神Baryon,身高80公尺,體重達6500公噸,這次不會變成軟木塞了喔!

我們還是以一個身高180公分,體重80公斤的人放大來看,由於人體密度大約與水相等,所以此人的體積為80公升。重甲機神身高80公尺,為人類的44.4倍,體積為44.4的三次方,也就是8萬8千多倍,約為7000立方公尺,乘上密度0.92 g/cm3,故體重為6500公噸,內部的空間至少要能注水超過500公噸,就能讓密度比水還高而往下沈。

透過注水量的調節,就可以讓重甲機神自由自在的浮出水面或沈入海底了。當然,在機械的設計上就要有相關的「注水—排水」裝置,變得更複雜了,以後如果要公布內部構造的設定圖的話,設計師可要多花一番腦筋囉!

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如果你擁有「比尋常人敏感萬倍」的絕對聽覺能力,會是怎樣的感覺?|重甲科不科?03
PanSci
・2019/11/11 ・2607字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/許經夌(ZERO)│中原大學物理學系暨研究所教授

《重甲機神》的故事中除了「巨大機器人」這個要素之外,還有一個動漫畫迷一定也不陌生的要素:「偶像歌星」!我們的女主角「天音」就是一個號稱有「絕對聽覺」能力的實力派偶像歌星。

《重甲機神:神降臨》的女主角、擁有「絕對聽覺」的天音。 圖 / 威視電影提供

把「機器人」和「偶像歌星」結合起來,一方面是向動畫名作《超時空要塞》致敬,而另一方面也有科學上要用來「自圓其說」的理由:

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《重甲機神》是個發生在台灣周遭海域的故事,在海洋中探索和戰鬥,當然需要用到大家都知道的「聲納」。

聲納最重要的就是「聽音」的部分,女主角既然是實力派歌星,耳力想必相當不錯,所以就在「陰錯陽差、因緣際會」的情形下,搭上了機器人,擔任聽音的工作,這也是很合理的事。(當然我們也不否認,這是製作群因為想放個偶像歌星在故事裡,所想出來的藉口,哈哈。)

為了強調女主角的聽音能力,故事中還說她具有「絕對聽覺」能力,英文叫做 Absolute Sound Sensation,這是什麼東西呢?

其實,真實世界沒這種東西!這完全是科幻上的想像!(真實世界有所謂的「絕對音感」,不過那是另一回事的東西,我們就先不談。)

且慢,且慢把你手上手機或滑鼠丟過來抗議。圖/pixabay

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科幻故事的趣味之一,就是在科學的基礎上,把真實事物加以誇張想像,讓我們可以得到知性上的樂趣,也對科學的美好有更多體會,不是嗎?所以我們就來從科學角度出發,研究一下,具有「絕對聽覺」能力會是怎麼樣的感覺。

故事中的台詞是這麼寫的:「你的絕對聽覺,比尋常人敏感萬倍。」

「比尋常人敏感萬倍?」等一下,這還得了,這個會死人的吧?你一定會想這樣子吐槽吧。

不久之前,因為有ACG作品中出現了「感度 3000 倍」這個誇張的設定,於是一時瘋傳,甚至還變成登上了日本 Twitter 趨勢排行的流行梗。

大家紛紛發表對「感度 3000 倍」的感言:「這個要是有蛀牙就會想死了吧?」、「這個搔癢一下腳底就會感覺像是踩到樂高積木吧?」、「旁邊的人放個屁就會感覺像是進了毒氣室吧?」……

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好了,這下不止3000倍,還是「敏感萬倍」,我們《重甲機神》的女主角一登場就要「升天」了吧?其實沒有這麼「悲觀」啦,這在科學上是要看這個「敏感萬倍」是怎麼定義的。

圖/wikipedia

在19世紀中葉,德國萊比錫大學的物理學教授古斯塔夫·費希納(Gustav Fechner)研究了人類「心理感覺」和「物理刺激」之間的關係,出版了《心理物理學綱要》(Elemente der Psychophysik)一書,為「心理物理學」(Psychophysics)這門學科奠定了基礎。

簡單的說,費希納教授發現人類的「心理感覺」和「物理刺激」是成一個對數關係,可以寫成下面的公式,現在我們叫它「費希納定律」:

\( S= k \log I \)

式中的S正比於「心理感覺強度」,I正比於「物理刺激強度」,k則是一個比例常數。大致上我們可以這樣講,把「物理刺激強度」取了對數之後,才會對應到「心理感覺強度」。

而「取對數」是一個非常有趣的數學過程,它可以把很大的數值範圍「壓縮」到很小的數值範圍,例如一到一億(1 = 100 ~ 100000000 = 108)是一個很大的範圍,取了以10為底的對數之後,就為變成從0到8的小範圍。

就演化的觀點而言,人的「感覺強度」之所以要和外來「刺激強度」成對數關係,其目的就是要盡量把外界「數值變化範圍很廣大的物理刺激」變成「人體可以接受的心理感覺」,也就是說,人類要一方面可以感覺到情人溫柔的撫摸(微小的物理刺激),一方面又要可以承受強烈的巴掌攻擊(巨大的物理刺激),而不至於「感覺爆表」,導致昏了過去。(如果「心理感覺」和「物理刺激強度」成正比,就可能會有這種悲慘結果。)

現在我們常用「分貝」(decibel,可簡寫為dB)當作音量(loudness)的單位,在醫學的聽力檢查標準或是環保署的噪音管制標準上都可以看到,其原因就是「分貝」的數值大小非常適合拿來對應我們聽覺上的「心理感覺強度」。

下面這條公式就顯示了聲學上的「分貝值」β與「物理刺激強度」I之間的關係:

\( \beta = 10\log\frac{\mathrm{I} }{\mathrm{I_{0}} }\)

不意外的,它就是個對數關係。公式中的I代表了物理上的「聲音強度」(sound intensity),也就是每單位面積所傳送的聲音功率,其單位可以是W/m2(瓦特/平方公尺)。

有趣的是,公式中還有個I0,它代表的是「聽覺閾值」(hearing threshold),也就是「可以被聽見的最小聲音強度」,對一般人類而言,這個值的大小是10-12 W/m2

所以當聲音強度小於10-12 W/m2的時候,音量(聲音感覺)是小於0分貝,我們是聽不到聲音的。當聲音強度開始大於10-12 W/m2,我們就可以逐漸聽到聲音。每當聲音強度變為原來的10倍,音量就增加10分貝。


現在我們就可以來想像一下,《重甲機神》的女主角天音「比尋常人敏感萬倍」的「絕對聽覺」是什麼感覺了。

這個「敏感萬倍」指的當然不是她聽到的音量(聲音感覺)被放大萬倍,否則她大概在故事一開始就掛了,戲也演不下去了……我們應該這樣想像:這個「敏感萬倍」指的是她「可以聽見的最小聲音強度」是一般人的萬分之一,也就是聽覺閾值I0降到了10-16 W/m2,所以她有機會聽見一般人聽不到的聲音,。

如果回到剛才的分貝值公式計算一下,就會發現,天音的這個能力相當於把聽到的聲音提高了40分貝,所以她可是過著相當「刺激」的生活。我們就參考環保局網頁(註一)的噪音分貝對照表來比喻一下好了。

  • 在一般人的耳中,相當微弱的樹葉沙沙摩擦聲(20分貝),在天音耳裡,就像是人們平時交談時的聲音(60分貝)一樣的清晰。
  • 對一般人來說,相當安靜的辦公室(50分貝),對於天音來說,就像是充斥著的吵人的狗叫聲(90分貝)。
  • 一般人在路邊聽到的車輛交通聲(80分貝),天音聽起來,就像是工地用的打樁機(120分貝)一般的吵雜。

這麼一想像,應該還是會覺得,這樣的生活蠻令人想死的吧?所以啦,在《重甲機神》的故事中,天音必須要盡量戴著「防噪耳機」,因為這可是關係到我們女主角的「身心健康」啊。

天音最好還是都帶著防噪耳機吧!

註釋

  1. 噪音管制對照表
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