控制论的开山鼻祖（人类历史上迈向控制论机器的第一步）

撰文 | 陈康

相传指南车成为战胜蚩尤的法宝

中国古代劳动人民运用聪明智慧，在车辆机械方面取得了重要成就，除了满足乘坐的交通工具外，其中还不乏许多奇妙的车辆。具有辨识和指示方向功能的指南车，就是其中之一，也让科学技术史家李约瑟博士称之为“人类历史上迈向控制论机器的第一步”。

相传，在距今约 4600年前的河北省涿鹿一带，黄帝部落与蚩尤部落进行了一场大战。战争旷日持久，持续 3年，交锋 72次，都没有分出胜负。黄帝和炎帝虽然组成联军，但依然不是蚩尤的对手。

史书记载，黄帝曾“九战九败”。蚩尤部落凭借其制作兵器的先进技术，铜制兵器精良，士兵勇猛善战，占尽了优势。而黄帝的北方部落削木为枪、捆石成斧，很难抵挡蚩尤部落的尖兵利器。此外，天气也一直困扰着处于下风的黄帝和炎帝联军，浓雾和大风暴雨，经常使得黄帝的军队迷失前进方向。

后来，黄帝命风后发明了指南车，凭借指南车在大雾弥漫的战场上指示方向，战胜了蚩尤部落，生擒了蚩尤。战争中黄帝使用指南车辨别和掌握方位，成为战胜蚩尤的法宝。此传说流传很广，事实上，黄帝部落确实与蚩尤部落发生战争，但指南车是否为当时发明，其形制如何，尚无从考证。

构造视为机密而无车辆传世

还有一种传说是，中国在西周时发明了指南车，但史书中缺乏对其内部结构、功能原理的详细记载，多是零星字句。据考证，东汉的张衡、三国时的马钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车。后世诸多学者研究指南车出现的时间，观点各异。学术界认定最早的发明者为三国时期马钧，南北朝时期祖冲之等亦造指南车。第一个在史书中留下姓名的指南车机械专家是三国时魏国的马钧。《宋史·舆服志》记载，宋代吴德仁于公元 1107年再次造指南车，并较详细地记载了指南车的内部结构。因为指南车的内部结构常被视为重要机密，因此历史上很少有古籍记载。据史料记载，宋代以前指南车经历了“失传，复原，再失传，再复原”的漫长历程，宋代以后指南车再次失传，其后再无此车辆传世。

除了在战场上发挥指示方向的作用外，指南车还作为皇帝御驾出行的一种仪式用车，成为仪仗车辆中的必备。皇帝在隆重场合才会使用，用以显示皇权的威武与豪华。它是一辆双轮独辕车，由马来拉动，车身高大，装饰华丽。车上立一木人，木人的一只手臂平伸向前。开始行驶前需先调整车子，使木人的手臂指向南方，此后无论车子的运动方向如何改变，在齿轮系统的作用下，车上木人的手臂始终指向南方。

中国著名科技史学家王振铎依据多年研究成果和文献记载，复原制作了指南车的模型，该模型现收藏于中国国家博物馆。

古代机械制造的卓越成就

指南车是我国古代科学家居于世界领先地位的发明。它是利用齿轮的原理制造而成的，这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这表明我国古代已经能够制造和使用复杂机构，对齿轮传动的应用居于世界领先地 位。

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合运动传递动力的机械传动，具有传动平稳、精确的特点，是现代机械传动中应用最广的方式。

有复原者研究认为，指南车中的机械定向自动控制装置，可能利用了斜面顶推或齿轮系统。当车辆左、右转弯时，这些机构可以带动木人向车辆转弯相反的方向转动，使木人的手臂始终保持指南。

由《宋史·舆服志》中对宋代两种指南车的详细记载，可知宋代的指南车依靠齿轮传动的定向性完成指向，表明我国古代科学家已经掌握了控制齿轮离合的方法及齿轮匹配的力学知识，显示我国古代机械制造技术的卓越成就。

中国古代人发明的巧妙技术

指南车设计制造的核心是对自动离合齿轮系统的应用，这种齿轮系统结构相当于现代机械结构中的差动齿轮系统。车箱内部设置有一套可自动离合的齿轮传动机构，当车子行进中偏离正南方向，由齿轮系的啮合、分离抵消车辆转向的影响，使木人手臂始终指向南方。

现代汽车调整左、右车轮的转速差的装置是差速器，主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成，用于消除汽车在转弯时左、右轮转速不一致而造成的问题，防止左右轮转速不一致而导致的损坏，可见两者原理有相通之处。今天，指南车这种指南工具已经失去了它的地位，但是对于我们仍不无启发。指南车上的差动齿轮系机构，以及相对运动的原理，在今天的机械生产中仍然发挥着巨大的作用。

指南车的齿轮差动系机构在近代引起了国内外学术界的广泛重视。如此巧妙的指南车机构设计制造方法，是由 1000多年前的中国古代人发明的，实在令人感到惊叹！

排版 | 萝卜娟

审核 | 六朵 苍翼蝴蝶 苏苏

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陈康，中国科学技术馆古代科技展览部，工程师。研究方向：展览设计。

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