機械智力玩具
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機械智力玩具(英語:Mechanical puzzle)也稱為實體智力玩具,是一種由一些互相連接或是可組合的元件所組成的智力玩具,其玩法是要移動、旋轉或是組合元件,達到最終的狀態。這類益智玩具早在公元前三世紀就已出現,現今最出名的是1974年由匈牙利建築師魯比克·艾爾諾發明的魔方。機械智力玩具一般是設計給單人玩,其目的是讓玩家發現智力玩具中的規則,依規則將智力玩具調整正確的位置,而不是用嘗試錯誤法,恰巧將智力玩具調整正確的位置。機械智力玩具也常用在智力測驗或是解決問題的訓練中。
歷史
[編輯]目前已知年代最早的智力玩具是源自希臘的Ostomachion,在公元前三世紀就已出現。此智力玩具是由十四塊可以組合成正方形的板所組成,目的是要用這十四塊板產生不同的圖形,有相當的困難度。
伊朗的puzzle-locks早在西元十七世紀就已問世。
中國的七巧板大約在西元1800年左右開始流行,20年後流傳到歐洲及美國。德意志帝國魯多爾施塔特的Richter公司約在1891年製作大量類似七巧版,有許多片可以組合的智力玩具,稱為Anker-puzzles。
1893年時,Angelo John Lewis用其筆名Professor Hoffman,寫了名為《Puzzles; Old and New》。其中包括了四十個有隱藏開啟機構的智力玩具。此書後來擴充為智力玩具的參考書,還有近代的版本。
智力玩具在二十世紀初開始大幅流行,也出現第一個智力玩具的專利。隨着聚合物的發明,許多智力玩具的生產變得簡單,價值也因此變得便宜。
美國歷史學家Jerry Slocum在1993年成立了Slocum Puzzle Foundation,是有關智力玩具推廣和教育的非營利組織,有進行智力玩具的收集、展覽、發表等。
種類
[編輯]組合型智力玩具
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這個分類中的智力玩具一開始是分開來的元件,目的是要組合成特定的外形。其中包含了皮亞特·海恩製作的索馬立方、所羅門·格倫布發明的五格骨牌拼圖、「Anker-puzzles」、七巧板與其他拼圖智力玩具,以及目的是將一些零件放入看似無法容納的箱子裏的玩具等。
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b2/HoffmansPackingPuzzle.jpg/220px-HoffmansPackingPuzzle.jpg)
Hoffman包裝智力玩具就是這類智力玩具的例子,其目的是要將27塊長度為的長方體放在長度為的箱子裏,需符合以下的條件:
- 均不相等
- 中的最小值需大於
其中一個可能組合是,箱子大小是60×60×60。
現今的工具(例如雷射切割)可以製作複雜二維的木頭或是亞加力智力玩具。近來來這也成為主流,也已有許多人設計的非凡裝飾性幾何形狀的拼圖。
電腦也可以用來製作新的智力玩具。電腦也可以用來針對問題的窮舉搜尋,可以設法設計智力玩具,使其有最少的解,或是有最多步數的解。因此會讓智力玩具的求解變得異常困難。
分解型智力玩具
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這類的智力玩具的玩法是需將智力玩具打開或是分解為各元件。其中包括了有隱藏開啟機構,需用試誤法開啟的智力玩具。有一種智力玩具是以用特定方式組合的數個金屬元件,要設法將其打開,也是屬於這類的智力玩具。
圖中的二個智力玩具是社交聚會中好用的道具,看起來很容易打開,但其實很多人是無法解開的。問題主要是在互鎖件的形狀,配合的表面是有錐度的,因此只能以一個方向取出。但每一個元件都有二個傾斜方向相反的錐度,和相鄰件組合,因此不論以哪一個方向都無法移除該元件。
秘密盒是有隱藏開啟機構的盒子,在日本特別流行,也屬於分解型智力玩具。這類的盒子一般包括了多少有些複雜性,從外面無法看出的開啟機構,在開啟時會露出內部的一個小空間。開啟機構有很多種,包括幾乎看不到,需要移動的鑲板,傾斜機構、磁力鎖,需要將特定面朝上才能打開的移動插銷,甚至有些是計時鎖,需將盒子以一定角度維持一段時間,等液體充滿其中特定容器時才能打開。
互鎖型智力玩具
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互鎖型智力玩具是由一個或是多個元件固定住其他的元件,或是各零件彼此鎖合。遊戲的目標是要完全分解此智力玩具,再組合成原來的樣子。和組合型智力玩具不同的是,互鎖型不論是分解或是組合都可能很困難,通常無法直接輕易地將零件分開。其困難度一般會以在取出第一個元件之前需移動的次數來計算。近代的智力玩具還加入了可旋轉零件的機制。
這類智力玩具目前可以追溯到18世紀初[1][2]。1803年時,Bastelmeier目錄中包括兩個這類的智力遊戲。Professor Hoffman的智力玩具書中也包括兩個互鎖型智力玩具。
日本人在19世紀初佔據了這類智力玩具的市場,他們開發了各種形狀(包括動物、房屋等)的智力遊戲,而西方的玩具還是以幾何圖案為主。
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靠着電腦的協助,目前已經可以分析一整組智力玩具。此作法源於Bill Cutler,分析了所有中國的魯班鎖。從1987年10月到1990年8月之間,用電腦分析了35,657,131,235種不同的變化。利用和中式智力玩具不同的形狀,其難度可以提昇到取出第一個元件前,要先進行將近100次的移動,這是人難以掌握的程度。分析過程中,最困難的點在於只要稍微增加元件數量,解開所需的步驟就會翻倍。一直到2003年Owen、Charnley和Strickland的設計計劃之後,電腦才可以有效分析元件沒有直角的智力玩具。
美國智力玩具設計師Stewart Coffin自1960年代起就以菱形十二面體為基礎設計智力玩具。其中用了有三個邊或是六個邊的長形元件。這類的智力玩具常常會有非常不規則的元件,到最後一步才組合成常見的形狀。而且,元件中60°的角讓多個元件可以同時移動。像是Rosebud智力玩具就是這類最好的例子。在此智力玩具中,六個元件需從各自的位置移到玩具的中心,在該位置上,這些元件只有尖角會互相接觸到。
解鎖型智力玩具
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解鎖型智力玩具(disentanglement puzzle)的目的是將金屬或是繩環與另一個物體分離。圖中的智力玩具是derringer puzzle,看似簡單,其實相當有挑戰性,許多智力玩具網站評價為最難的智力玩具之一[來源請求]。
Vexier是另一類的解鎖型智力玩具,由二個或多個已互鎖在一起的金屬框架組成,目的則是要將框架分開。這類遊戲也是在19世紀末的智力玩具熱潮時開始傳播。目前看到的Vexier,大部份都起源於該時期。
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九連環也是類似Vexier的遊戲。九連環的目的是要將一個U型長桿從九個鐵環和鐵桿中取出,也有鐵環個數較少的版本,解開這類遊戲需要的步數隨環的數量呈指數成長。其解法的數學結構和二進制葛雷碼的結構相同(葛雷碼相鄰二個數字之間只相差一個位元)。
九連環也稱為Chinese rings、Cardans' rings、Baguenaudier或Renaissance puzzle,是盧卡·帕西奧利的手抄本De Viribus Quantitatis中的問題107。吉羅拉莫·卡爾達諾在其1550年版的De subtililate中也有提到。
九連環也和中古時期的故事有關,在故事中,騎士會將九連環送給妻子當禮物,在騎士出征時妻子可以以此打發時間。由鋼製成的Tavern puzzles是用鍛造方式製成,是鐵匠學徒鍛煉其工藝的好機會[3]。
物理學家尼爾斯·玻爾曾用名為Tangloids的解鎖型智力玩具,來和學生講解自旋的特性。
摺疊
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摺疊型智力玩具的目的是要摺疊有印刷的紙張,讓紙張上出現特定的圖案(例如讓4個數字彼此相鄰,形成較大的正方形)。
另一種摺疊型智力玩具是折疊內容說明書和地圖。雖然可以從折線上看出折疊方向,但要摺回原始的形狀可能會很困難。原因是其折疊方式是為了折紙機所設計,其最佳摺疊方式和一般人會想到的摺疊方式可能不同。
鎖
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這類的智力玩具也稱為魔鎖(trick lock),是有特殊上鎖機構的鎖(多半是掛鎖),目的就是要將鎖打開。就算有鎖匙,這類的鎖也無法用一般開鎖的方式打開。有些鎖要恢復到上鎖的狀態也相當困難。
魔瓶
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魔瓶(Trick vessels)智力玩具的目的是要在不浪費其中任何液體的條件下,將瓶中的液體倒出。Puzzle container是古代就有的魔瓶玩具。希臘人以及腓尼基人都有從下方開口中注入液體的容器。第九世紀時在土耳其的書上有提到許多這類的容器。十八世紀時中國也有製作這類容器。
七巧壺就是一種魔瓶,其容器頸部有許多的洞,可以從這些洞將液體注入容器中,但無法從這些洞將容器倒出。七巧壺中有一個管路,是透過握把一直到壺嘴,液體可以從此處流出容器。
Fuddling cup也是魔瓶的一種。
需靈巧操作的玩具
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這類的玩具嚴格來說不算智力玩具,過程中需要的是靈巧、反應以及耐性。最常見的是要讓木盒以特定方向傾斜,使球可以滾到目的地,但中途不能掉到其他的洞裏。
Combination puzzle
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![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/61/Rubiks_cube_solved.jpg/170px-Rubiks_cube_solved.jpg)
這類智力玩具需要多次的操作(移動或是旋轉智力玩具),讓智力玩具達到要求的特定狀態。其中最著名的有魔方以及河內塔。 這類智力玩具也包括了滑塊類遊戲,需移動滑塊到正確的位置,其中著名的有數字推盤遊戲、華容道及塞車時間。倉庫番是類似概念的電子遊戲。
魔方造成這類遊戲的大爆發,也出現了許多的變體。包括不同階數的魔方,從二階魔術方塊到33階魔術方塊都有,也有其他的幾何圖案,例如正四面體及正十二面體。也有魔方是將原來立方體魔方的某一層移除,或是在轉動過程可能會是不規則中的形狀。
這類遊戲中有些比較簡單,可以用試誤法找到答案。有些(像三階魔方)比較困難,需要知道其原理,才能依原理求解。
其中著名的機械智力玩具
[編輯]- 九連環,中國古代的機械智力玩具。
- Nintendo Tumbler Puzzle:任天堂出的機械智力玩具。
- Hedgehog in the Cage:捷克流行的機械智力玩具。
相關條目
[編輯]- 貝德蘭姆立方
- Miguel Ortiz Berrocal,許多機械智力玩具的設計者
- 拼圖戒
參考資料
[編輯]- ^ 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.
- ^ Ronald V. Morris, "Social Studies around the Blacksmith's Forge: Interdisciplinary Teaching and Learning" Archive.is的存檔,存檔日期2012-07-13, The Social Studies, vol.98, No.3 May–June 2007, pp.99–104, Heldref Publications doi:10.3200/TSSS.98.3.99-104.
延伸閱讀
[編輯]- 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