机械智力玩具

机械智力玩具（Mechanical puzzle）也称为实体智力玩具，是一种由一些互相连接或是可组合的元件所组成的智力玩具，其玩法是要移动、旋转或是组合元件，达到最终的状态。这类益智玩具早在公元前三世纪就已出现，现今最出名的是1974年由匈牙利建筑师鲁比克·艾尔诺发明的魔方。机械智力玩具一般是设计给单人玩，其目的是让玩家发现智力玩具中的规则，依规则将智力玩具调整正确的位置，而不是用尝试错误法，恰巧将智力玩具调整正确的位置。机械智力玩具也常用在智力测验或是解决问题的训练中。

种类[编辑]

组合型智力玩具[编辑]

这个分类中的智力玩具一开始是分开来的元件，目的是要组合成特定的外形。像皮亚特·海恩制作的索马立方、所罗门·格伦布的五格骨牌拼图、以及Anker-puzzles都是著名的智力玩具，而包括七巧板在内的拼图智力玩具（英语：tiling puzzle）也属于这一类。有些问题是将有一定数量的元件放在（看起来似乎太小）的箱子里，也是属于这类的分类。

Hoffman包装智力玩具（英语：Hoffman's packing puzzle）就是这类智力玩具的例子，其目的是要将27块长度为 $A,B,C$ 的长方体放在长度为 $A+B+C$ 的箱子里，需符合以下的条件：

$A,B,C$ 均不相等
$A,B,C$ 中的最小值需大于 $(A+B+C)/4$

其中一个可能组合是 $A=18,B=20,C=22$ ，箱子大小是60×60×60。

现今的工具（例如激光切割）可以制作复杂二维的木头或是亚克力智力玩具。近来来这也成为主流，也已有许多人设计的非凡装饰性几何形状的拼图。

电脑也可以用来制作新的智力玩具。电脑也可以用来针对问题的穷举搜寻，可以设法设计智力玩具，使其有最少的解，或是有最多步数的解。因此会让智力玩具的求解变得异常困难。

分解型智力玩具[编辑]

这类的智力玩具的玩法是需将智力玩具打开或是分解为各元件。其中包括了有隐藏开启机构，需用试误法开启的智力玩具。有一种智力玩具是以用特定方式组合的数个金属元件，要设法将其打开，也是属于这类的智力玩具。

图中的二个智力玩具是社交聚会中好用的道具，看起来很容易打开，但其实很多人是无法解开的。问题主要是在互锁件的形状，配合的表面是有锥度的，因此只能以一个方向取出。但每一个元件都有二个倾斜方向相反的锥度，和相邻件组合，因此不论以哪一个方向都无法移除该元件。

秘密盒是有隐藏开启机构的盒子，在日本特别流行，也属于分解型智力玩具。这类的盒子一般包括了多少有些复杂性，从外面无法看出的开启机构，在开启时会露出内部的一个小空间。开启机构有很多种，包括几乎看不到，需要移动的镶板，倾斜机构、磁力锁，需要将特定面朝上才能打开的移动插销，甚至有些是计时锁（英语：time lock），需将盒子以一定角度维持一段时间，等液体充满其中特定容器时才能打开。

互锁型智力玩具[编辑]

中国的鲁班锁。这个是由Bill Cutler设计，在取出第一个元件之前，需要有五次移动

互锁型智力玩具是由一个或是多个元件固定住其他的元件，或是各零件彼此锁合。游戏的目标是要完全分解此智力玩具，再组合成原来的样子。和组合型智力玩具不同的是，互锁型不论是分解或是组合都可能很困难，通常无法直接轻易地将零件分开。其困难度一般会以在取出第一个元件之前需移动的次数来计算。近代的智力玩具还加入了可旋转零件的机制。

这类智力玩具目前可以追溯到18世纪初^[1]^[2]。1803年时，Bastelmeier目录中包括两个这类的智力游戏。Professor Hoffman的智力玩具书中也包括两个互锁型智力玩具。

日本人在19世纪初占据了这类智力玩具的市场，他们开发了各种形状（包括动物、房屋等）的智力游戏，而西方的玩具还是以几何图案为主。

靠着电脑的协助，目前已经可以分析一整组智力玩具。此作法源于Bill Cutler，分析了所有中国的鲁班锁。从1987年10月到1990年8月之间，用电脑分析了35,657,131,235种不同的变化。利用和中式智力玩具不同的形状，其难度可以提升到取出第一个元件前，要先进行将近100次的移动，这是人难以掌握的程度。发展的顶点是某个加入少许几个元件的智力玩具，修改后移动次数是修改前的二倍。一直到2003年Owen、Charnley和Strickland的设计计划之后，电脑才可以有效分析元件没有直角的智力玩具。

美国智力玩具设计师Stewart Coffin（英语：Stewart Coffin）自1960年代起就以菱形十二面体为基础设计智力玩具。其中用了有三个边或是六个边的长形元件。这类的智力玩具常常会有非常不规则的元件，到最后一步才组合成常见的形状。而且，元件中60°的角让多个元件可以同时移动。像是Rosebud智力玩具就是这类最好的例子。在此智力玩具中，六个元件需从各自的位置移到玩具的中心，在该位置上，这些元件只有尖角会互相接触到。

Combination puzzle[编辑]

这类智力玩具需要多次的操作（移动或是旋转智力玩具），让智力玩具达到要求的特定状态。其中最著名的有魔方以及河内塔。这类智力玩具也包括了滑块类游戏，需移动滑块到正确的位置，其中著名的有数字推盘游戏、华容道及塞车时间。仓库番是类似概念的电子游戏。

魔方造成这类游戏的大爆发，也出现了许多的变体。包括不同阶数的魔方，从二阶魔术方块到33阶魔术方块都有，也有其他的几何图案，例如正四面体及正十二面体。也有魔方是将原来立方体魔方的某一层移除，或是在转动过程可能会是不规则中的形状。

这类游戏中有些比较简单，可以用试误法找到答案。有些（像三阶魔方）比较困难，需要知道其原理，才能依原理求解。

其中著名的机械智力玩具[编辑]

九连环，中国古代的机械智力玩具。
Nintendo Tumbler Puzzle（英语：Nintendo Tumbler Puzzle）：任天堂出的机械智力玩具。
Hedgehog in the Cage（英语：Hedgehog in the Cage）：捷克流行的机械智力玩具。

参考资料[编辑]

^ David Darling, The Universal Book of Mathematics: From Abracadabra to Zeno's Paradoxes, page 49, John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471667005.
^ The Burr Puzzle Site, "Historical overview", IBM Research 1997 archived 3 November 2012.

延伸阅读[编辑]

Puzzles Old & New, by Professor Hoffmann, 1893
Puzzles Old and New, by Jerry Slocum & Jack Botermans, 1986
New Book of Puzzles, by Jerry Slocum & Jack Botermans, 1992
Ingenious & Diabolical Puzzles, by Jerry Slocum & Jack Botermans, 1994
The Tangram Book, by Jerry Slocum, 2003
The 15 Puzzle, by Jerry Slocum & Dic Sonneveld, 2006

[1] David Darling, The Universal Book of Mathematics: From Abracadabra to Zeno's Paradoxes, page 49, John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471667005.

[2] The Burr Puzzle Site, "Historical overview", IBM Research 1997 archived 3 November 2012.

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