指南车，以齿轮“驾驭”方向（字载匠心·惊艳时光的中国智慧）

上图：王振铎著《科技考古论丛》中的指南车内部结构图。 (资料图片) 下图：中国科学技术馆“华夏之光”展厅的指南车。 戴逸华摄

在中国科学技术馆“华夏之光”展厅，一台指南车静静立在展台。观众手握手柄，推动指南车，车子左转右转，其上的人偶却始终指着同一个方向。在现代人看来，这个装置很是平常，然而对古人来说，它却称得上是颇为超前的机械装置发明。

指南车的缘起与发展

提起指南车，不得不提起黄帝大战蚩尤的故事。相传，双方战于涿鹿，蚩尤造出漫天浓雾，令黄帝及其军队迷失了方向。一筹莫展之时，黄帝手下一个名叫“风后”的部下提议制造指南车。靠着指南车，黄帝率领军队辨别方向、杀出重围，一举击败蚩尤。

读到这个故事，现代读者肯定会意识到，当时的条件恐难制造指南车，这是传说，并非信史。在古代，关于指南车的发明也确有争论。

《三国志·魏书》就记录过这样一个故事，三国时期的魏明帝时，给事中马钧与常侍高堂隆、骁骑将军秦朗在朝堂上争论，后二者认为此前并无指南车，马钧却不这么看。高、秦二人向明帝秉明后，下诏令马钧制作指南车。于是马钧奉旨将其制造出来。

“又不可以言者也，从是天下服其巧矣”，《三国志·魏书》记载，马钧造指南车的精妙难以形容，从此天下人都佩服他手巧。中国科学技术馆助理研究员戴逸华指出，史籍中关于指南车发明较为明确的记载就是这条史料。可惜，这一具有实用性的工巧并未得到相应重视。据史料记载，西晋末年，马钧制造的指南车遗失了。

幸运的是，各个政权对指南车兴趣不减，不少人都在尝试复原指南车。

在北方，十六国时期的后赵君主石虎、后秦君主姚兴都曾命令臣子制造指南车。417年，南朝刘宋的武帝刘裕灭后秦，得到了指南车。据记录南朝刘宋历史的《宋书》记载，这个指南车“设木人于车上，举手指南。车虽回转，所指不移”，车上有个木人，手指向南

方。车子转向了，但木人手指方向不变。《宋书》转而又说，“机数不精，虽曰指南，多不审正。回曲步骤，犹须人功正之”，即刘裕获得的指南车，制造技术不够精密，虽能指南，大多时候却无法准确指正，在转弯或调整步伐时，仍需依靠人力校正。

到北魏时期，太武帝拓跋焘执政，马岳也曾奉命制成指南车。

在南方，南朝刘宋顺帝刘准在位时，后来的南齐开国君主萧道成辅政，他派祖冲之按古法重制指南车。《南齐书》讲，祖冲之“改造铜机，圆转不穷，而司方如一”；《宋书》则记载，“其制甚精，百屈千回，未尝移变”。也就是说，祖冲之以铜制指南车，无论如何转动，都始终指向同一个方向。

北宋年间，宋仁宗天圣五年(1027年)，工部郎中燕肃制造指南车；宋徽宗大观元年(1107年)，内侍省官员吴德仁又对燕肃指南车进行改良。他们所造指南车的内部构造，被较为具体地载入《宋史·舆服志》，这也有助于后世对指南车内部结构和机械原理有更多的了解。

“先启之乘”的威仪象征

为什么许多君主都想拥有指南车？

不妨先看史料对指南车外形的形容。《晋书》写道，“驾四马，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣羽衣，立车上”，指南车以四匹马为牵引，车厢部分有如楼阁，分为三层；车厢四角有金龙衔着鸟羽装饰的华盖；木制仙人身穿羽衣，站在车上。

《南齐书》的记录略有不同，指南车由牛牵引，身披天衣的木制仙人站在布幔遮盖的车厢里。车顶四角都立有龙子竿，悬挂着孔雀尾羽，车轮漆着彩色，以铜为装饰。二者对指南车的形容虽有出入，但相同的是，指南车外形十分华丽。

《晋书》接下来又写，“大驾出行，为先启之乘”。而《宋书》曰，“大驾卤簿，最先启行”。“大驾”和“卤簿”都是指皇帝出行的车马仪仗，因此这两句话是说，皇帝出行的仪仗队列当中，指南车最先启动出发。

想象一下，一辆华美气派且有“仙人指路”的指南车行驶在仪仗最前面，尽显帝王的威仪尊严。许多历史学者认为，拥有指南车不仅是为了延续这项制造技术，更是希望借此宣扬朝廷自身的正统与皇权。

同济大学教授、科技史学家陆敬严曾说，指南车不用来实测方向，更不用于引导实战，这就导致它的外形可以豪华精致而尺寸庞大，且对定向准确和操纵简便的要求不高；甚而至于，复杂的操作反而可以增添皇家的威严与排场。

展现中国古代科学智慧

虽说古代皇家出于自身考虑才制造指南车，但对后世而言，它的运行机制无可辩驳地展现了中国古代机械技术的卓越成就。戴逸华表示，与仅有一字之差的“指南针”不同，指南车指向南方依靠的不是地磁效应，而是齿轮传动系统。由于史料中缺乏图形，考古亦没有发现指南车实物，因此一段时间里，大家只知指南车内部有数个大小和齿数不同的齿轮，具体运行原理众说纷纭。根据史料，学者们提出了多种复原方案，总体分为定轴轮系和差轴轮系，两者原理也略有出入。

定轴轮系指南车是指车转弯时，要固定一个车轮不动，整车以该车轮为圆心进行转动。不动的车轮一侧，足轮不转动，更不通过小平轮传动至其他齿轮；转动的车轮一侧，足轮随之转动，并通过小平轮等结构传动至大平轮，保证木人与车身转向相反、转角相等，使木人始终指向同一方向。《宋史·舆服志》记载的指南车就是这种结构。

20世纪30年代，文博专家、科技史专家王振铎率先复原了指南车。后为准备原中国历史博物馆陈列，他在修正原方案的基础上制作了指南车模型。戴逸华表示，这个模型就属于定轴轮系指南车。目前，中国很多博物馆都采用了王振铎的定轴轮系指南车方案。

所谓差轴轮系则是指南车转弯时，不需要固定一个车轮，相对于定轴轮系指南车指向更准确、易于操作。但戴逸华指出，这主要是基于现代学者的合理想象，目前还没有发现明确的史料依据。“2017年以前，中国科学技术馆也制作了定轴轮系指南车模型，由于车体安装误差、车轮转动打滑等，长时间会出现指南偏差。2017年后，我们采用现代差动轮系结构制作金属指南车，观众可以用手拉动模型，在展台上转动，透过透明车厢观察齿轮运动情况，了解原理。”戴逸华说。

不过，不论真正的指南车是定轴轮系还是差轴轮系，这套基于机械自身运动的系统都体现了超前性。正如著名科技史专家李约瑟所言，指南车是人类历史上走向控制论机器的第一步。工业革命以来，自动控制设备开始在西方涌现，但回望中国古代历史，这种先进的理念早已在指南车当中孕育。

更难能可贵的是，在中国历史上诸多朝代对指南车的“摧毁”与“重构”中、在近代以至当代各领域专家对指南车的复原讨论中，中国人对历史事实的严谨探寻和对应用实践的热情始终熠熠发光。

这也映照出了当今我国工程机械行业的奋进之路：今天，自动化已成为机械的“必选项”，随着新技术动能注入，工程机械行业持续优化升级，中国工程机械正在从“中国制造”迈向“中国创造”——技术不断发展，求索永无止境。

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本报记者 王晶玥