Making Fun:兒童房的太空船

七月 12, 2014
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我為大兒子打造太空任務控制中心時,就覺得必須做個太空船來搭配它。這四個月來只要有零碎時間,我都在幫小兒子建造太空船,這艘太空船有控制面板,會出現有趣的畫面,或者發出逼真的太空聲響。控制桿可以調整引擎和推進器的聲光效果。酬載艙使用的是電動式的艙門,並以視訊遙控的機械手臂部署如玩具人造衛星等。太空船可以透過耳機,連絡另一個房間的太空任務控制中心,方便兩個兒子可以練習太空任務的團隊合作。上面的影片介紹了太空船的主要特徵,若想知道更多,請繼續閱讀下去。
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說穿了,船體幾乎就是阿波羅太空船的直接翻版,否則圓柱體和圓錐體船頂會佔用太多臥室空間,也會增加建造的時間和成本。我把太空船分成三個部份製作,方便從車庫搬來臥室(還有搬去Maker Faire),但也是有點難度啦。你可以看到右牆,在太空船和書櫃之間有一個氣動傳輸系統的小門,互通兩個兒子的房間。NASA阿波羅時代的任務控制中心,都有氣動傳輸系統,因此我們家用的太空系統輸人不輸陣,也要引進氣動傳輸系統,這樣可以在最後關頭運送重要零件與物資。不過在建造這艘太空船的過程中,我並不執著於阿波羅太空船這個主題,還增添一些太空梭的設計,包括附有機械手臂的酬載艙。

我在主引擎的管口,安裝了混音器和重低音擴音器,並在管口底部加裝一串GE Color Effects LED的五彩耶誕燈飾。前一個專題我甚至改造耶誕燈飾,控制了每個燈泡的顏色和亮度。我以Arduino控制燈泡串,透過簡易的圖騰來轉變色彩,模仿火箭的火焰。Arduino也可以控制我們火箭推進器的紅色LED燈。只要透過USB控制桿,就可以調整引擎和推進器的燈光。我讓Raspberry Pi來解讀控制桿的訊號,Raspberry Pi先判定操作桿朝哪個方向移動了多少,再命令Arduino點亮特定燈泡,其亮度取決於控制桿推進的程度。Raspberry Pi也可以透過太空船音響系統,來模擬火箭的聲音,聲音大小取決於動作的輕重。換言之,如果只是輕推控制桿,就只會有微弱的燈光和聲音,但只要朝著同一方向繼續推進控制桿,燈光就會愈亮,聲音也會愈大。

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說到聲音,我知道太空船一定要有好的音響裝置,因為很多動作我們都需要倚賴聲音來傳達。於是我在主要控制板安裝一組不錯的電腦喇叭面向太空人。這個重低音喇叭位在太空人腳邊的隔間,低頻振動器就拴在太空人躺的板子底下。低頻振動器有著自己的強力擴音器,不熟悉低頻振動器的人,就把它想成是喇叭,但低頻振動器不以喇叭口透過空氣傳達振動,而是透過固體把振動傳達到你的身體。這可以提供逼真的體驗,卻不會振壞你的耳膜,因為低頻振動器不用大聲就有效果。你看那段影片就會發現火箭發射爆炸時,太空船內攝影機拍到的東西都在振動。

為了收集控制板的聲音,我逛遍freesound.org網站,搜遍NASA完整聲音檔案,尤其是阿波羅11號飛行日誌。我也運用聲音編輯軟體加以剪接、混合或編輯。

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我最喜歡的地方就是分別連接兩個兒子房間的太空船和任務控制中心的耳機對講裝置。我選擇便宜的電線對講系統,這是機車騎士戴在安全帽裡面,用於騎程通話的裝置。我把任務控制中心和太空船的耳機插孔連接到對講機。如此一來,分別待在控制中心和太空船的兩個兒子,就可以相互通話,指揮太空任務的各個步驟,例如發射、酬載艙部署、修理太空船、登陸月球、返回地球、重返回收。他們每玩一次,就會更瞭解太空術語,更懂得互相指示。

太空船通訊裝置面板(CAPCOM panel),也有「隨按隨響(PTT)」按鈕,只要按下去,上面LED燈泡就會發亮,並發出阿波羅號通訊的嗶聲前奏,但只要放開按鈕,LED燈泡就會熄滅,並發出阿波羅號通訊嗶聲的尾奏。

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太空船酬載艙真的讓人樂不可支。透過飛行組員艙的遙控視訊螢幕,以及控制面板的遙控器,太空人可以控制機械手臂,來部署或收回酬載。酬載艙內有一套太空玩具組,包括我們的最愛:小型哈柏太空望遠鏡。我們也有各種以太空為主題的樂高人物和人造衛星。我未來還有更詳盡的計畫,但目前只能以五呎長的釣魚線掛在太空船附近的天花板上,代表太空船運行的「軌道」。
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酬載艙從這個角度來看有點亂,但太空人從攝影機看到的影像卻很整齊,可從照片左邊看到攝影機就安置在LED燈旁邊的橫木旁。這個隔間底部的絞盤可以透過滑輪,用細繩拉扯鉸鏈式艙門的控制桿。雖然有了為增加轉矩而設的傳動裝置,艙門一分鐘左右才會開啟,但考慮到絞盤伺服機比嵌環還小,這樣的效果已經很棒了。絞盤採用1號電池來提供電力,以免容易產生電子雜訊的馬達接近其他電子裝置。控制面板和LCD燈泡的電源,也在這個地方,另外操縱控制桿的Raspberry Pi 和Arduino裝置也是如此。控制面板則有自己的Raspberry Pi和Arduino。
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我很自豪自己的狀態面板,因為我得以便宜的方法複製出花俏的顯示器。
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我在底板安置了一些拘謹的LED燈泡,以蜂巢狀的手裁塑膠板隔開,再以砧板散光,最後蓋上透明膠片來標示各種狀態,不同的LED燈泡,分別代表不同系統的指示和警示。有些燈會顯示綠色表示系統正在使用中,例如降落傘(包括主降落傘和減速降落傘)和引擎推進器。有些燈則會呈現紅色是危險警告,例如過度使用推進器面板上的按鈕,導致各種功能停擺,或者碰到「乙二醇幫浦」開關六次以上,就可能接獲「乙二醇不足」的警告。
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「C&WS」代表的是警示系統。這個面板的功能,很類似實際阿波羅號的警示系統。當整個系統必須警告飛行組員,警示音就會響起,主警告鈕也會亮起,相應的燈光會在狀態面板發亮。這時候只要按下主警告按鈕,警報器就會停止,按鈕燈光也會熄滅,但狀態面板會依然亮著,指出警示的原因。「LAMP」按鈕可以測試燈光,一一打亮狀態面板的所有燈泡,檢查是否故障。我甚至在警示系統面板加裝祕密按鈕,可以模擬雷擊。
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「Control」面板負責太空船上各種充滿想像的機械系統。船塢探測器的開關,可以收起、關閉和展開探測器。我並沒有時間加裝真正的船塢探測器,但我會把製個謹記在心,未來升級的時候,可以找兩個兒子一起幫忙設計和製作。

「SCE Power」開關,也是仿造阿波羅太空船,可以把「訊號調節設備」切換為主電力或備用電力。SCE專門整理遙測裝置傳回任務控制中心的訊號。阿波羅12號發射不久,太空船就在空中遭到雷擊,但大家都沒有發現(因為發射的聲音很大)。任務控制中心開始接收到各種微弱的訊息,指示太空船可能出了大差錯。約翰亞倫(John Aaron)駐守在任務控制中心的EECOM站,認定這是遭到雷擊的徵兆,也記得受訓所教的處置方法。他建議太空人「把SCE轉為備用電力」,遙測裝置馬上恢復正常,太空任務才有辦法繼續進行。我在太空船安裝祕密的雷擊觸發器,可以製造各種警報聲和警示,但只要SCE調為備用電力就會解除警報。

我四歲兒子最喜歡的開關,正是「Waste Dump」(棄置垃圾),因為會有沖馬桶的聲音,所以他覺得很好玩。他知道太空人對集尿系統的暱稱就是「口渴先生」(Mister Thirsty),所以只要有人碰那個開關,他就會大笑,還會學「口渴先生」說話。

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為了監控氧氣和氫氣,我也設計了低溫儲藏槽面板(Cryogenics panel)。氧氣和氫氣的儲存槽必須不斷「攪動」,以維持準確的壓力和數量。當任務控制中心指示阿波羅13號的太空人攪動低溫儲存槽時,氧氣槽風扇的線路故障,導致氧氣槽冒出火花並爆炸,情況十分緊急。我的太空船控制面板也有「氧氣槽風扇」開關,功能類似,會先製造一點風扇的噪音,但只要氧氣壓力和數量降到紅線以下,就會發出爆炸聲(低頻振動器在傳遞方面真的幫了很大的忙)。若是實際出任務,氧氣不足可能導致燃料電池故障(燃料電池負責發電),狀態面板就會顯示「主電子匯流排欠壓 」,接著傳來惡名昭彰的無線電呼叫:「休士頓,我們有麻煩了,主電子匯流排欠壓」。
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EECOM面板共有四個電位器,每個顯示燈排分成 12格,旋轉圓鈕就可以調整發亮的格數,燈排還會同時變色來顯示特定數值的緩急程度。如果數值調整到中間安全的四格,所有燈排都會呈現綠色,但只要數值有點高或低,燈排就會呈現黃色,要是數值太高或太低,燈排就會呈現紅色。這很適合演練太空人和控制中心之間的互動,控制中心詢問情況如何,並指示太空人調整電位器,看是「需要更多電力」還是「保存電力」。
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當遊戲時間結束了,「放棄(Abort)」面板讓我們以趣味的方式,關閉整艘太空船。把開關調到「武裝(Arm)」,「放棄」按鈕就會亮燈,接著按下「放棄」按鈕,就會聽到「放棄任務,電力即將關閉」,所有電腦就會安全關機。順帶一提,我有時候待在家裡別的房間,聽到或感到遙遠的隆隆聲,說實在的,我根本分不清楚是快要下雷雨了,還是太空船忘了關機,或是寵物和小孩正在推控制桿。小孩在玩的時候,太空船的聲音並不大,但低沈的隆隆聲卻會穿透牆面和地板。
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我把推進器面板(BOOSTER panel)設計成火箭的音效板,低頻振動器會讓效果非常顯著。此外,我也會計算每個按鈕使用的次數,設定好警示系統,一旦有任何系統過度使用,就會發出警報。舉例來說,狀態面板有兩個針對SPS的警示,如果太常使用推進器面板的SPS按鈕,兩個警示就有可能同時響起,如果推進器面板上任何按鈕過度使用,狀態面板的「推進(Thrust)」綠燈就會亮起。
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我們要先扳開這些神奇開關的保險,才可以轉動開關,以大幅降低誤觸的機率。煙火系統利用炸藥來啟動一些設備,例如炸開艙門,以便部署降落傘,或是炸開易爆的螺栓,以便鬆開太空船的艙室。一旦啓動以後,這些系統就無法重設或再度使用,所以千萬不要誤觸。這些開關的聲音,就是各式各樣爆炸聲,但還會有其它我從聲音編輯程式彙編的聲音。你就可以明白,低頻振動器在此證明它有多值得了。
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看到控制面板的背後,讓我想到這艘太空船的線路,大約是任務控制中心的一半。

我把程式碼刊在GitHub網站。我的控制臺程式,交互使用Arduino和Raspberry Pi。Arduino採用I/O擴張器(MCP23017),以解讀開關和按鈕的狀態。一旦開關(無論是短暫的按鍵開關、搖頭開關或翹板開關)的狀態改變了(關閉變成開啟,或者開啟變成關閉),Arduino都會透過序列連接(USB纜線)通知Raspberry Pi。Raspberry Pi可能發出聲音,也可能啟動一連串動作,如有必要,還會命令Arduino控制LED燈泡。Arduino會利用四個LED矩陣驅動程式(Matrix Driver,HT16K33安裝在Adafruit載板上),來控制所有LED燈泡。這可以支援291個LED燈泡,乍聽之下很多,但只要想想每個數字都要動用8個LED燈泡,每個LED燈排都要動用24個LED燈泡(燈排分成8格,每格都會發出紅黃綠三種光)。電位器也要透過Ardruino的類比輸入來解讀。

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我曾經聽說過,真正的太空科幻電影,沒有一個不是以拿掉面板亂搞元件為情節的。這聽起來好像很厲害,於是我在飛行組員艙製作小型置物箱。置物箱的蓋子是木栓板做的,旋開螺絲就可以輕鬆拿掉(我兩個兒子都是工具控),我在裡面放了一些有趣的連接器、管線、門閥。未來的太空任務,需要這兩位一起修理和增建。這應該對於實際演練、使用工具和培養溝通技巧很有幫助。
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我設計太空船和任務控制中心,是為了帶給孩子無限想像的遊戲。這遊戲本身沒有輸贏,而是激發他們想像力的花俏道具。我不想讓這個遊戲侷限在自己所能想出的玩樂方式,我想給他們空間自行想像。在打造太空玩具的過程中,我希望玩樂次數愈多,可以開發愈多可能性。我們會一起擴建,先從簡單的東西開始,例如自製人造衛星、工具組、修理的小玩意兒。隨著他們學到愈多,太空玩具會有更花俏的都東西出現。

這艘太空船結合了我找來的各種小東西,最後變成完整而有趣的體驗。分解來看不難,但有很多需要整合,而且細節馬虎不得。如果你也想做點類似的事情,那就分成幾個可控制的部分,也不要害怕學習新技能。你可以每個禮拜花幾個小時,運用簡易的工具和技術,自己製作一些有趣的東西,你會學到很多。有努力過,才有所得!

Jeff Highsmith的Making Fun系列文章在此

(譯者:謝明珊)
[原文]

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