古代“水力机器人”水排：东汉水力驱动风箱，冶铁效率飞跃

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近两千年前的古代，没有电力，却有着近似“机器人”的装置在孜孜不倦地工作，这种场景你信吗？这并非天方夜谭。

东汉年间一项名为“水排”的巧妙发明，就利用奔腾的水力驱动沉重的鼓风皮囊，为冶铁炉持续注入强劲动力，悄然间掀起了一场生产效率的革命。而这项技术，堪称那个时代的“黑科技”。

汉代“黑科技”：水力驱动的钢铁心脏

在水力鼓风也就是常说的水排，这东西没发明出来之前，想炼铁那可真是个纯粹的体力活。炉膛里的火要烧得旺，温度得够高才能把铁矿石给熔了，这背后靠的就是源源不断送进去的强风。

最早的时候，这风全靠人。几个人围着炉子使劲拉风箱，或者操作那种皮囊做的鼓风工具。这活不仅枯燥，还特别耗体力，一个人根本顶不住，得好几拨人轮着上，风力也是时大时小，很不稳定。

后来大家就琢磨，让牲口来替人干这苦差事。于是，“马排”就应运而生了，简单说就是让马匹拉着磨盘一样转圈，通过一套机械装置，把这转动的力气变成鼓风的动力。

跟纯人力比，用马确实省了不少事算是个进步，可这饲养成本可不低。而且，马跟人一样，干久了也得歇气，不能指望它一天到晚连轴转。

所以这动力输出还是不够给力不够稳定，尤其对那些需要大规模、不间断生产的官营冶铁作坊来说，马排的这点力气，还是有点捉襟见肘。

谁知就在公元31年一位名叫杜诗的地方官员，给这个老大难问题带来了一个石破天惊的解决方案。

人力畜力鼓风：曾经冶铁多费劲？

杜诗是个务实派的技术型官员，史书记载他“性节俭而政治清平”，深入民间，体察疾苦。看到冶铁工场里人力、畜力鼓风的繁重与低效，他开始琢磨有没有更省力、更高效的办法。

于是，他着手“造作水排，铸为农器”，这里的“水排”，就是水力鼓风装置。《后汉书·杜诗传》明确记载：“用力少，见功多，百姓便之。”短短十个字，道尽了这项发明的巨大价值：投入少，产出高，老百姓都觉得方便。

杜诗并不是从零开始凭空发明的，水力利用在中国早有传统，比如水碓（利用水力舂米）。而杜诗的创新之处在于，他巧妙地将水力与鼓风设备结合起来，并且很可能采用了当时相对先进的机械传动结构。

他利用水流冲击水轮转动，再通过一套精巧的曲柄连杆机构，将水轮的圆周运动，转化为驱动风箱活塞往复运动的直线动力。这套机制，正是后世机械工程中应用极为广泛的核心原理之一。

当湍急的河水带动巨大的水轮缓缓转动，连接的曲柄和连杆随之起舞，推动着一排排大型风箱（排）有节奏地张合，“呼嗒、呼嗒”，稳定而强劲的气流便源源不断地送入高炉。

而水排的核心技术，就在于那套动力转换装置——曲柄连杆机构。这东西听起来有点专业，但原理并不复杂。

巧夺天工：水轮、连杆、风箱的精密联动

曲柄连杆机构就是一个旋转的轮子（水轮），轮子边缘固定一个点（曲柄销），这个点通过一根杆子（连杆）连接到需要前后移动的物体（风箱活塞）上。轮子一转，那个点就跟着画圆圈，而连杆则巧妙地把这种圆周运动变成了活塞的来回直线运动。

这种设计在当时绝对是顶尖的机械思维，它不仅成功地将自然界的水力转化为了冶铁所需的风力，而且实现了动力的连续、稳定输出。这比人力断断续续的拉扯，或者马匹需要停歇的转圈，都要可靠得多，也强大得多

风箱本身可能也经过了改良，变得更大、更耐用，以承受水力持续不断的驱动，于是整套系统构成了一个高效的自动化鼓风流水线。

虽然东汉时期的水排实物至今未有完整考古发现，这不能不说是一个遗憾。不过，后世的文献，特别是元代王祯的《农书》中，详细绘制了水排的结构图，其工作原理与《后汉书》的记载高度吻合。

这表明杜诗的这项发明及其背后的机械原理，在中国历史上被长期继承和应用，生命力极其顽强。那么，水排的出现，究竟给东汉的冶铁业带来了什么

不止省力：一场席卷汉帝国的冶铁效率革命

好处绝不仅仅是“用力少”那么简单，最直接的就是鼓风效率的大幅提升。持续、强劲的风力，意味着冶炼炉可以达到更高的温度，而且温度更稳定。高温是冶炼高质量生铁的关键。

有了水排，炉温能轻松突破过去难以企及的阈值。首先铁矿石熔化更充分，冶炼出的生铁（尤其是可以用于铸造的液态铁水）产量大大增加。

高温也有利于去除矿石中的杂质，提升了生铁的质量。甚至有学者推测，水排提供的强大风力，可能也促进了炒钢（将生铁脱碳成钢）等先进工艺的发展。

效率提高了，成本自然就下降了。原来需要大量人力或畜力投入的鼓风环节，现在主要依靠自然水力。

这不仅节省了劳动力和饲料成本，还将宝贵的人力解放出来，可以投入到采矿、运输、冶炼操作等其他环节，进一步提高了整个生产链条的效率

杜诗在南阳推广水排，“百姓便之”，说明这项技术迅速带来了实实在在的好处。高质量的铁器，特别是农具（犁、锄等）的大量生产和普及，有力地支撑了汉代农业的发展。所谓“铸为农器”，正是杜诗推行水排的初衷之一。

同时，充足且优质的铁，也为汉帝国的军事力量提供了坚实的物质基础。锋利的兵器、坚固的铠甲，都离不开冶铁技术的进步。

水排虽只是冶铁流程中的一个环节，却为整个汉代社会经济的发展注入了澎湃动力

更深一层看，水排的意义还在于它所体现的技术思想。利用自然力替代人力、畜力，实现生产过程的某种程度的自动化，这在世界科技史上都具有里程碑意义。

当然尽管水排技术先进，但它的推广应用受到地理条件的限制，比如必须靠近有足够落差和流量的水源，而在封建社会中，这种纯粹的技术进步，其潜力并没得到充分释放，可惜可叹！

信息来源：《持续擦亮天工开物“文化名片”》，2023年12月20日，新余市人民政府。

信息来源：《汉代冶铁技术》，中国科学技术馆，2023年11月11日。