Alexandriai Hérón – Az ember, aki 2000 éve programozta az első robotokat

Amikor az automatizálás még varázslat volt

Képzeld el a következő jelenetet. Az i. sz. 1. század, Alexandria. A város – a kor szellemi fővárosa, a híres Könyvtár otthona – nyüzsgő piacterén egy különös szerkezet gurul elő. Senki nem tolja, senki nem húzza. Magától mozog.

A szerkezet megáll a közönség előtt. Az oszlopok tetején álló kis kerek templomban Dionüszosz isten szobra áll, kezében kehellyel. A templomot bakchánsnők – Dionüszosz vad követői – veszik körül. Aztán, mintha varázsütésre, meggyullad az oltár tüze. Dionüszosz thyrsosából – a fenyőtobozzal díszített pálcájából – tej folyik. A kehelyből bor ömlik a lábánál fekvő párducra. Koszorúk jelennek meg a talapzaton. A bakchánsnők táncolni kezdenek a templom körül, cintányérok és dobok zenéjére. Dionüszosz és a Győzelem istennője megfordul. A másik oltár is lángra kap. Újabb bor és tej. Újabb tánc. Aztán az előadás véget ér, és a színház – magától – elgurul.

Nem egy ember érintette meg a szerkezetet az egész előadás alatt. Minden automatikus volt.

Ennek a lenyűgöző gépnek a tervezője Alexandriai Hérón (Hero of Alexandria) volt – mérnök, feltaláló, matematikus, és alighanem az emberiség történetének első „automatizálási mérnöke".

Ki volt Hérón?

Hérónról meglepően keveset tudunk biztosan. Az i. sz. 1. században élt és dolgozott Alexandriában, az ókori világ egyik legnagyobb szellemi központjában. Írt matematikáról, optikáról, mechanikáról – de a leghíresebb munkái a Pneumatika (a levegő- és víznyomáson alapuló eszközökről) és az Automatopoiétika (az automaták készítéséről) című könyvei.

Ez utóbbi – az On Automata-Making, ahogy angolul ismert – egy páratlan dokumentum. Két komplett automata színházat ír le benne, részletes építési utasításokkal. Az egyik fix helyzetű, a másik mobil – kerekeken gördül. Mindkettő emberi beavatkozás nélkül ad elő komplett mitológiai jeleneteket, tűzeffektekkel, hangeffektekkel, mozgó figurákkal és jelenetváltásokkal.

És ne feledjük: mindezt kétezer évvel ezelőtt. Se villanyáram, se elektromos motor, se mikroprocesszor. Csak zseniális mechanika, súlyok, kötelek, fogaskerekek, szifonok és levegőnyomás.

A mobil színház: Dionüszosz apoteózisa

Az első – és talán lenyűgözőbb – automata a mobil színház. Egy talapzaton négy nagy oszlop áll, rajtuk egy platform, azon egy miniatűr kör alakú templom. A szerkezet három keréken mozog: hátul egy szabadon forgó, elöl két hajtott kerék egy tengelyen.

A „motor"? Egy nagy ólomkocka, ami lassan süllyed lefelé a talapzatban. A súly alatt egy garat van, tele kölessel vagy mustármaggal. A magvak apró lyukakon keresztül lassan kifolynak – pont úgy, mint a homok egy homokórában –, és a súly fokozatosan, egyenletesen ereszkedik. A súlyhoz kötél csatlakozik, ami a hajtótengely köré van tekerve.

Itt jön a zseniális rész: a kötél nem egyszerűen rá van tekerve a tengelyre. Előbb az egyik irányba, majd a másik irányba van feltekercselve – ami azt jelenti, hogy a színház előre gördül, megáll, majd hátra gördül. Sőt, ha az egyik hajtókereket kissé nagyobbra csinálták, mint a másikat, a színház íves pályán is tudott mozogni.

Gondolj bele: Hérón lényegében programozta a mozgáspályát – a kötél tekercselési mintájával. Ez nem más, mint egy mechanikus program, ami meghatározza a jármű viselkedését az időben. Pont úgy, ahogy egy PLC program meghatározza egy szállítószalag vagy egy robot mozgását.

Hérón automata színháza nem egyszerűen mozgott – programozva volt. A kötelek hossza, vastagsága és tekercselési mintája határozta meg, mikor mi történjen. Ez az egyik legkorábbi ismert példa a szekvenciális vezérlésre.

A fix színház: Naupliosz legendája

A második automata egy álló színház, ami egy miniatűr klasszikus templomot ábrázol talapzaton. Ez a szerkezet bonyolultabb előadást mutat be – a trójai háború utáni görög flotta pusztulásának történetét, négy jelenetben.

A templom homlokzatán ajtók nyílnak és záródnak, jelenetenként más-más látványt tárva a közönség elé. Az első jelenetben görög hajóépítők dolgoznak a parton – kalapáccsal és fűrésszel a kezükben, amelyek ténylegesen mozognak. A második jelenetben a görög flotta a nyílt tengeren hajózik, delfinek ugrálnak a hullámokban. A harmadik jelenetben Naupliosz fáklyát tart, amivel a sziklák felé csalja a hajókat – a fáklya valódi tüzet gyújt a színpad tetején. A negyedik jelenetben vihar tör ki, villám csap le az égből, Aiász eltűnik a tengerben.

Hang- és fényeffektekkel: mennydörgés, villámfény, tűz. Mindenféle emberi beavatkozás nélkül.

Hogyan működött mindez? – A mechanika, ami megelőzte korát

A legzseniálisabb az egészben nem az egyes trükkök, hanem az, ahogy az összes mozgás összehangoltan, a megfelelő sorrendben és időzítéssel történik. Modern szóval: a szekvenciális vezérlés.

A „motor": gravitációs hajtás homokórával

Mindkét színház hajtóműve egy nagy ólom- vagy ólomsúly, ami lassan süllyed egy tartóoszlopban. A súly magvakkal (a mobilnál) vagy homokkal (a fixnél) töltött garat tetején ül. Ahogy a magvak vagy a homok apró lyukakon kifolyik, a súly egyenletesen ereszkedik – mint egy óraszerkezet. A súlyhoz kötelek csatlakoznak, amelyek az összes mechanizmust hajtják.

Ez lényegében egy gravitációs motor szabályozott sebességgel – a kifolyási sebesség határozza meg a „ciklusidőt". A koncepció meglepően hasonlít az ingaórák működéséhez, amelyeket csak évszázadokkal később fejlesztettek ki.

A „program": kötelek és dobok

Az összes mozgó alkatrész – ajtók, figurák, díszletek, tűzeffektek – kötelekkel kapcsolódik a hajtóműhöz. A kötelek különböző átmérőjű dobok köré vannak tekerve, ami különböző sebességeket eredményez. A kötelek hossza gondosan ki van számítva, és a felesleg hurkokba van rendezve.

A trükk: a lazaság fokozatosan csökken, és abban a pillanatban, amikor egy kötél megfeszül, az általa vezérelt alkatrész aktiválódik. Így érhető el, hogy a különböző jelenetek a megfelelő sorrendben és időzítéssel következzenek egymás után.

Ha PLC-s nyelven gondolkodunk: ez egy időzített szekvenciális program, ahol a „timer"-eket a kötelek hossza és a dobok átmérője határozza meg. Nincs szenzor, nincs visszacsatolás – ez egy teljesen nyílt hurkú (open-loop) vezérlés, de rendkívül pontosan megépítve.

A jelenetváltás: ajtók, díszletek, „flies"

A fix színház ajtói a színpad alatt futó kötelekkel nyílnak és záródnak. A kötelek forgó oszlopokra vannak tekerve, amelyekre az ajtók csatlakoznak – az oszlopok elfordulásával az ajtók kitárulnak vagy bezáródnak. Egyes díszletek felülről ereszkednek le (mint a modern színházi „flies" rendszer), mások oldalról gördülnek be hengereken – a tengeri jelenetben a görög flottát ábrázoló hosszú festett vászon jobbról balra mozog a színpadon.

A delfinek a színpad padlója alatti forgó kerékre vannak szerelve – a kerék forogásával felmerülnek és elmerülnek, mint a hullámokból ugráló delfinek. Athéné istennő szobra kötelekkel emelkedik, forog, és visszatér a kiindulópontra – valószínűleg egy ovális alakú horonyban csúszva a színpad padlóján.

A tűz, a tej és a bor: Hérón trükkjei

A látványos effektek – amelyek az ókori közönséget alighanem isteni csodaként élték meg – mind elegáns fizikai megoldásokon alapulnak.

A spontán tűzgyújtás: Naupliosz fáklyájának tüzét egy már előre meggyújtott, rejtett olajlámpa szolgáltatja. Egy fémlemez takarja el a lángot – amikor a kötél elhúzza a lemezt, a láng meggyújtja a fölé helyezett forgácsot. Egyszerű, megbízható, látványos.

A tej és a bor: A mobil színházban Dionüszosz thyrsosából folyó tej és kehelyéből ömlő bor a templom tetején elhelyezett rejtett tartályokból érkezik csöveken keresztül. A gravitáció intézi a többit.

A zene: A bakchánsnők táncát kísérő dobszó és cintányérhang nem hangszóróból szól – apró ólomgolyók zuhannak egy dobhártyára és pattannak egy kis cintányérra. A golyókat egy visszahúzható fedelű dobozból engedik ki, a fedelet pedig – természetesen – kötél húzza.

A villám: A fix színházban a villámot valószínűleg egy fényes fémdarab ejtése és egy rejtett mechanikus zajkeltő (mennydörgés-szimulátor) biztosította.

A Pneumatika: 78 „tétel" – mindegyik egy kis csoda

Hérón másik híres műve, a Pneumatika, nem színházakról szól, hanem 78 különálló eszközt és mechanizmust ír le. Ezek között vannak szifonok, önműködő ivóedények, trükkös boroskancsók – és néhány valóban figyelemreméltó automata.

Az ivó madár: Egy talapzaton álló gémszobor, amelynek csőre elé ha vizet teszünk, a madár „megiszik" belőle. A test belsejében egy szifon húzza fel a vizet a csőrön át és engedi le a talapzatba. Az ókori közönség számára ez élő madárnak tűnhetett.

A tűzzel nyíló templomajtók: Egy oltáron tüzet gyújtanak. A tűz melegíti a levegőt egy zárt edényben, ami vizet nyom egy vödörbe. A vödör súlya köteleken keresztül elforgatja az ajtószárnyakat tartó oszlopokat – és az ajtók kitárulnak. Amikor a tűz kialszik, a levegő lehűl, a víz visszaszívódik, egy ellensúly pedig visszazárja az ajtókat. Ez a mechanizmus szorosan rokon a fix színház ajtónyitó rendszerével.

Az aeolipile – az „ős-gőzgép": Egy fémgömb csuklósan rögzítve, alatta kazán. A gőz két L-alakú csövön lép ki – és a kilépő gőz forgásba hozza a gömböt. Sokan a gőzgép ősének tekintik, bár Hérón korában nem ismerték fel az ipari potenciálját.

A táncoló figurák: Egy oltáron tüzet gyújtanak. A forró levegő ferde csöveken áramlik ki, és egy forgótányért pörget – rajta kis figurákkal, amelyek úgy tűnnek, mintha táncolnának az átlátszó üveg- vagy szaruburkolat mögött. Ez a hőlégáramláson alapuló forgás elve – ugyanaz, amit ma a kályhaventilátorokban használnak.

Héraklész és a sárkány: Egy talapzaton kis fa áll, körülötte sárkány tekeredik. Héraklész szobra íjjal áll mellette, egy alma pedig a talapzaton fekszik. Ha valaki felemeli az almát, Héraklész kilövi a nyílvesszőjét a sárkányra, és a sárkány sziszeg. Az alma felemelése köteleket húz meg – az egyik kioldja az íjat, a másik kihúz egy dugót, víz folyik be egy zárt kamrába, a megnövekedett légnyomás egy sípot szólaltat meg a fában. Egy mozdulatból két párhuzamos effekt – ahogy egy PLC egyetlen bemeneti jelből több kimenetet vezérel.

Miért érdekes ez nekünk, automatizálási mérnököknek?

Hérón munkássága nem egyszerűen technikatörténeti kuriózum. Ha automatizálási szemmel nézzük, meglepően sok modern koncepciót fedezhetünk fel benne – kétezer évvel a megvalósításuk előtt.

Szekvenciális vezérlés: A színházak előadásai lépésről lépésre, meghatározott sorrendben futnak le. Ez pontosan az, amit ma egy PLC létradiagram vagy SFC (Sequential Function Chart) program csinál.

Időzítés: A kötelek lazasága és a dobok átmérője határozza meg, mikor mi történjen – ezek a kor „timerei".

Aktuátorok: A kötelek húzóereje forgatja az oszlopokat (ajtók), emeli a figurákat, húzza a díszleteket – ezek a kor „szervomotorai" és „pneumatikus hengerek".

Energiaforrás: A gravitációs súly egyenletes ereszkedése – ez a kor „tápegysége" és „motorja" egy személyben.

Párhuzamos végrehajtás: Több alkatrész mozog egyszerre, különböző sebességgel – a különböző átmérőjű dobok teszik ezt lehetővé.

Nyílt hurkú vezérlés: Nincs visszacsatolás, nincs szenzor – a rendszer pontosan úgy fut le, ahogy előre megtervezték. Ez korlátozás, de egyben a tervezési precizitás bizonyítéka is.

A reneszánsz visszhang: Hérón öröksége

Hérón könyvei nem merültek feledésbe. A Pneumatika latin fordítása 1575-ben jelent meg, az Automatopoiétika olasz fordítása 1589-ben – és az itáliai reneszánsz mérnökei lázas lelkesedéssel olvasták mindkettőt.

Bernardo Davanzati fordító egy levélben úgy hivatkozott Buontalenti építész számára küldött példányra, mint „a te Hérónoddal" – jelezve, milyen szoros kapcsolatot éreztek a kor mérnökei az ókori mesterrel. Az 1580-as és 1590-es évek nagy firenzei és pármai színházi produkcióiban – a mozgó díszletektől a tűzeffektekig – számos hérói megoldás érhető tetten.

A Teatro Farnese Pármában – az egyik első állandó proszcénium színpad – minden mozgatható díszletét központilag, forgó dobokra tekert kötelekkel vezérelték, ellensúlyokkal egyensúlyozva. Az egész színház – ahogy egy reneszánsz kutató fogalmazott – lényegében egy hérói gépezetté vált.

Ma már nem kell köteleket tekerni – van PLC

Hérón zseniális volt. Amit 2000 évvel ezelőtt kötelekből, súlyokból, szifonokból és fogaskerekekből épített, az az emberi leleményesség egyik csúcsteljesítménye. De – lássuk be – van egy pár dolog, ami azóta egyszerűbbé vált.

Ma, ha szekvenciális vezérlést akarsz – nem kell gondosan kiszámított kötélhosszakat csomóznod. Írsz egy programot. Ha időzítést akarsz – nem kell homokkal töltött garatot kalibrálnod. Beállítasz egy timert. Ha párhuzamos mozgásokat akarsz – nem kell különböző átmérőjű dobokat esztergálnod. Modbus parancsot küldesz egy frekvenciaváltónak.

Hérón biztosan mosolyogna, ha látná, mi van a kezünkben. Egy Flexem PLC – ami kisebb, mint az ő ólom golyói – képes mindarra, amire az ő teljes színházi gépezetei képesek voltak. Sőt, sokkal többre: zárt hurkú szabályzásra, PID autotuning-ra, Modbus kommunikációra, analóg jelkezelésre, Ethernet kapcsolatra. Mindezt egy tenyérnyi dobozban.

Ha Hérón ma élne, biztos vagyok benne, hogy PLC-t programozna. És valószínűleg nagyon élvezné.

Hérón megmutatta, hogy az automatizálás nem a technológia szintjétől függ – hanem az emberi kreativitástól és a problémamegoldó gondolkodástól. A kötelek és súlyok helyett ma PLC-k és frekvenciaváltók vannak a kezünkben. De a kérdés ugyanaz maradt: hogyan oldjam meg elegánsan, megbízhatóan és automatikusan?