會解魔方的機器人:從 3 秒到 0.1 秒

2014 年 3 月,一台用樂高零件做成的機器人在 3.253 秒內解開了魔術方塊。它比任何人都快:當時人類的紀錄是 5.55 秒。十一年後,機器人的紀錄已經來到 0.103 秒,比眨一下眼還短。以下就是這一路走來的故事。

CubeStormer 3:樂高機器人

CubeStormer 3 是英國工程師 David Gilday 和 Mike Dobson 利用空閒時間花了 18 個月打造的。它用 Lego Mindstorms 零件組成,「大腦」是一支 Samsung Galaxy S4 手機:手機鏡頭拍下魔方,App 算出解法,機器人再用四隻手臂完成。

它在 2014 年 3 月 15 日於英國伯明罕的 Big Bang Fair 創下紀錄,現場有金氏世界紀錄的裁判見證。之前的紀錄 5.27 秒,屬於它的前一代 CubeStormer 2。

邁向一秒的競賽

在 CubeStormer 3 之後,機器人不再用玩具零件,而改用工業馬達、高速攝影機和高效能電腦。以下是最重要的幾項紀錄:

  • 2014 年,CubeStormer 3(英國):3.253 秒。
  • 2016 年,Sub1,德國工程師 Albert Beer 製作:0.887 秒,第一個低於一秒的紀錄。
  • 2016 年,Sub1 Reloaded,同一台機器人的改良版:在慕尼黑 Electronica 展覽上跑出 0.637 秒。
  • 2018 年,Ben Katz 和 Jared Di Carlo 的機器人,兩人是 MIT(美國)的學生:0.38 秒。
  • 2024 年,TOKUFASTbot,日本三菱電機(Mitsubishi Electric)製作:0.305 秒。它的馬達只要千分之 9 秒就能把一面轉四分之一圈。
  • 2025 年,Purdubik's Cube,美國普渡大學四名學生製作:0.103 秒,幾乎比三菱的快三倍。

這是普渡大學的機器人,影片(英文)由學校自己發布。還原速度快到必須用慢動作才看得清楚:

怎麼能這麼快?

這種機器人做三件事:看魔方、算解法、執行解法。

  • 看:攝影機拍下各面,程式辨識每張貼紙的顏色。普渡團隊發現這個環節浪費了很多時間,於是用高速攝影機把它壓到最短。
  • 算:電腦用 Herbert Kociemba 的兩階段演算法之類的方法,找出大約 20 步的短解法。任何魔方都能在 20 步以內解開,但要找出最短的解法很花時間,所以會接受一個非常接近最短的解法。
  • 執行:六顆馬達,每一面一顆,負責轉動魔方。為了承受這麼猛烈的轉動,魔方會經過加固,或從內部固定住。

那人類呢?

人類也進步了很多:2026 年的世界紀錄是 2.51 秒,由耿暄一創下(所有魔方世界紀錄都能在這裡看到最新版本)。不過拿機器人和人比,對雙方都不公平。機器人沒有人類開始前的 15 秒觀察時間,而人類用的也不是最短解法,而是大約 50 到 60 步、用手指能做得非常快的方法。

你也可以像機器人一樣解魔方:我們的魔術方塊解算器用手機鏡頭讀取顏色,給你 20 步以內的解法。如果你比較想自己學會,就從一步步的解法開始吧。