Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 20. ledna, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2015

Animatronie aneb jak oživit noční můry

Petr Panchártek

Animatronie je technologie používaná k vytvoření stroje, který reprezentuje živou věc – „animuje“ nebo přivádí postavy k životu. Animatronické postavy jsou často poháněny pneumaticky, hydraulicky nebo pomocí elektrických komponent. Mohou být ovládány manuálně, přes dálkové ovládání nebo za pomocí počítače. Pohybové aktuátory se často používají k napodobení svalů a k vytvoření reálných pohybů končetin. Postavy jsou zakrytovány a potaženy flexibilní kůží z těžkých nebo lehkých plastových materiálů a nakonec se řeší detaily, jako barva, vlasy, peří a jiné součásti k vytvoření reálné postavy.

Tato technologie se někdy používá v případech, kdy nějaký tvor již neexistuje nebo nemůže být prezentován v živé podobě. Obecně se jedná o rostliny či zvířata, jak prehistorická, tak mytologická, která ožívají pomocí animatronie. Animatronie nalezla široké uplatnění ve filmových a speciálních efektech a v zábavních parcích. Od počátku měla převážně sloužit pro zábavná představení.

Animatronická hlava [5].

Animatronie – multidisciplinární obor, který spojuje anatomii, robotiku, mechatroniku a loutkářství za účelem živé animace. Robotika – vědní disciplína zaměřující se na automatické stroje používané pro průmyslové a obchodní účely. Android – robot, jehož cílem je napodobit člověka.

Historie animatronie – počátky

Studie Mohist od filosofa Mozi a jeho současníka Lu Bana z 5. století před naším letopočtem popisuje vynálezy dřevěných ptáků (Ma Jüan), které mohly úspěšně létat. Text Liezi ze 3. století před naším letopočtem popisuje setkání krále Mu Zhou a řemeslníka Yan Shi, který sestrojil mechanický stroj, jenž představoval krále v životní velikosti. Podle popisu byla postava schopna chodit, pózovat a zpívat. Po rozebrání této postavy bylo zjištěno, že byla sestavena ze součástí velmi podobných lidským orgánům. V roce 1066 čínský vynálezce Su Song postavil vodní hodiny ve tvaru věže, která uváděla do pohybu mechanické figurky, pomocí nichž odbíjely hodiny.

Nalevo: Al Jazírův člun, hudební mechanická hračka. Napravo: Starověké
mechanické umyvadlo ze 3. století před našim letopočtem [7].

V roce 1515 Leonardo da Vinci navrhl a sestrojil mechanického lva, jednoho z vůbec prvních animatronů. Mechanického lva představil Guillanem de‘ Medici z Florencie králi Francie Františkovi I. jako symbol spojenectví Francie a Florencie. V roce 2009 byl mechanický lev znovu postaven podle popisu a výkresů Leonarda da Vinciho. Hlavním z animatronů však byl mechanický rytíř, kterého sestavil da Vinci na oslavu vládce Ludvíka Mouřenína u soudu v Miláně roku 1415. „Robot“ byl schopný stát, sedět, otvírat své hledí a pohybovat pažemi. Kresby Leonarda da Vinciho se nalezly v roce 1950 a funkční repliku se později podařilo postavit.

Nalevo: Mechanický lev, kterého sestavil Leonardo da Vinci [3].
Napravo: Mechanický voják přezdívaný Leonardův robot [2].

Rané implementace – hodiny

U mnoha mechanických hodin se v průběhu času objevovaly prvky rané animatronie. Přibližně v období 1220–1230 napsal Villard de Honnecourt spis, ve kterém se objevuje první mechanika krokového ústrojí a výkres Jak vytvořit anděla ukazujícího na slunce s ptákem s kloubovými křídly, kterého implementoval do mechanických hodin. Ty měly natolik velké rozměry, že byly postaveny jako veřejná časomíra v centru města. Jedněmi z prvních velkých hodin byly také Štrasburské hodiny ze čtrnáctého století. Zabírají celou stěnu katedrály. Obsahovaly astronomický kalendář, mechanizmus zobrazující zvířata, světce a život Krista. Hodiny dodnes fungují, ale od své první konstrukce prošly již řadou rekonstrukcí. Podobný osud měl i Pražský Orloj, který byl postaven v roce 1410 a v průběhu 17. století k němu byly přidány animované postavy.

Nalevo: Štrasburské astronomické hodiny. Napravo: Orloj
na Staroměstském náměstí v Praze [9].

První moderní hodiny s kukačkou popsal Philipp Hainhofer v roce 1629 v Ausburgu. Hodiny nejprve patřily panovníkovi Augustu Saskému, ale od roku 1650 se princip mechanických kukaček rychle rozšířil a v 18. století se v Německu dělaly na prodej. V polovině 18. století se pak vytvářely obchody specializované na tyto hodiny převážně v oblasti Černého lesa (Schwarzwald).

Moderní atrakce

Počátky moderní animatronie lze nalézt ve starých robotech. Někteří z těchto robotů byli animatronici. V té době byli považováni za jednoduché roboty, protože pojem animatronie nebyl doposud znám. První animatronické postavy, které byly představeny veřejnosti, byl pes a kůň. Oba se staly největší atrakcí na světové výstavě v New Yorku roku 1939. Robotický pes Sparko, mazlíček robota Elektra, vystupoval v popředí, ale Sparko nebyl obyčejný robot, představoval totiž žijící zvíře, a tedy se stal první animatronickou postavou spolu s koněm, který uměl dokonce cválat.

Robotický pes Sparko, mazlíček robota Elektra [3].

Za rozšířením animatronie pro zábavu stál Walt Disney, když si na dovolené koupil animatronického ptáka. Dodnes není jasné, zda to bylo na dovolené v americkém New Orleans nebo v Evropě. Disneyho vize ohledně audio-animatronie byla z počátku spíše zaměřena na ukázky vlastenectví než pro zábavu.

V roce 1951, dva roky poté, co Walt Disney objevil animatronii, pověřil mechanika Rogera Borggie a sochaře Wathela Rogerse, aby vedli tým, který by měl za úkol vytvořit postavičku velkou 23 cm, jež by se mohla pohybovat a mluvit podobně, jako vypadá robotický tanec herce Buddyho Ebsna. Projekt byl nazván „Mužíček“, ale nikdy nebyl dokončen. O rok později vytvořil Walt Disney Imagineering.

Po projektu „Mužíček“ byla dalším projektem týmu Imagineering tzv. „Čínská hlava“, která byla přístupná veřejnosti ve vstupní hale. Zákazníci se mohli zeptat hlavy na různé otázky a hlava jim dokázala moudře odpovídat. Hlava měla oči, které uměly mrkat a její ústa se dokázala zavírat a otvírat. Produkční společnost Walta Disneyho začala v roce 1955 používat animatronii na dráze v Disneylandu, v atrakci Jungle Cruise a později v atrakci Walt Disney’s Enchanted Tiki Room, která předváděla animatronické kouzelné ptáky.

Prvním zcela dokončeným audio-animatronickým člověkem byla postava Abrahama Lincolna, rovněž vytvořená Waltem Disneym v roce 1964 pro světovou výstavu v New Yorku. V roce 1964 Disney postavu zdokonalil a vytvořil Lincolna Marka II., který se objevil u budovy opery v Disneylandu v Kalifornii. Lincoln Mark II. hrál celkem 5 představení za hodinu. Herec Royal Dano tuto animatronickou postavu nadaboval. Řeč, pohyby obličeje a těla spolu dokonale ladily.

Další animatronickou postavou je Dinosaur Lucky – přibližně 2,4 m vysoký zelený Segnosaurus, který táhne vozík pokrytý květinami. Lucky je pozoruhodný v tom, že je vůbec první volně se potulující audio-animatronickou postavou, která byla vytvořena týmem Disney Imagineering. Ve vozíku s květinami se skrývá zdroj energie společně s počítačem.

Týmem Disney Imagineering byla pro Disneyland také vytvořena celá volně se potulující audio-animatronická atrakce, tzv. Muppet Mobile Lab. Dvě postavy – Dr. Bunsen a jeho asistent Beaker – pilotují vůz skrz zábavní park. Dokáží komunikovat s návštěvníky a přitom využívají speciální efekty, jako jsou zamlžení, blikání světel, náznaky pohybů, děla a trysky. V současné době se tato atrakce vyskytuje v Disneylandu v Hong Kongu.

Nalevo: Dinosaurus Lucky, první volně se potulující audio-animatronická postava [6].
Napravo: Muppet Mobile Lab, volně se potulující audio-animatronická atrakce [1].

Proslavily se ale i další animatronické postavy. Rock-afire Explosion je hudební skupina animatronických robotů, která hrála od roku 1980 do roku 1990 v řetězci restaurací Showbiz Pizza Place. V roce 2014 jsme se mohli setkat s obří animatronickou verzí maskotů na Olympiádě v Soči. Jako maskoti zde účinkovali zajíc, medvěd a leopard.

Nalevo: Animatron z hudební skupiny Rock-afire Explosion [3].
Napravo: Maskoti na zimní olympiádě v Soči v roce 2014 [4]. 

Zakončení zimních olympijských her v Soči animatronickým medvědem [11].
 (mp4, 23 MB)

Film a televize

Filmový průmysl se stal hnací silou v rozvoji animatronie. Animatronie se používá v situacích, kdy tvorové již neexistují, kdy akce jsou příliš riskantní nebo nákladné pro reálné herce či zvířata, nebo pro akce, kterých by nikdy nemohlo být dosaženo s žijícími osobami či zvířaty. Hlavní výhodou oproti počítačem generovaného obrazu (CGI) je přítomnost simulovaného tvora fyzicky před kamerou. Animatronie se stala výhodnou a v průběhu let se loutky staly reálnější a více živoucí.

Animatronie se poprvé objevila v roce 1964 ve filmu Mary Poppins od Walta Disneyho, kde byl představen animatronický pták. Od té doby se animatronie začala široce používat ve filmech, jako byly Čelisti nebo E. T., kde se na animační techniku silně spoléhalo.

Režiséři jako Steven Spielberg a Jim Henson se stali průkopníky v používání animatronie ve filmovém průmyslu. Jurský park z roku 1993 použil kombinaci počítačem generovaného obrazu (CGI) ve spojení s animatronickým dinosaurem v životní velikosti, kterého postavil Stan Winston a jeho tým. Winstonův animatronický Tiranosaurus Rex měl téměř 6,1 m na výšku a 12 m na délku, měl dokonalý vzhled a přirozený pohyb. Se svou hmotností 4 100 kg se stal největším animatronem.

V roce 1999 vydala televize BBC miniseriál Putování s Dinosaury, který byl vytvořen kombinací 80 % CGI a 20 % animatronicých modelů. Kvalita počítačové grafiky byla v té době velmi dobrá, ale animatronie měla výborné záběry jak z dálky, tak i v detailech dinosaurů zblízka. Animatronii pro všechny série navrhovala britská společnost Grawley Creatures.

Jinou slavnou postavou je Geoff Peterson, animatronický kostlivec, který slouží jako pomocník v pozdně noční show Graiga Fergusona. Často byl uváděn jako „robotí kostlivec“. Peterson je rádiem řízený animatronický robot, navržený a  postavený Grantem Imahrem z pořadu Bořiči mýtů.

Nalevo: Animatronická hlava Tiranosaura Rexe použitá ve filmu Jurský park [7].
Napravo: Animatronický kostlivec Geoff Peterson [3].

Jak na to

Animatron je postaven kolem vnitřního nosného rámu, který je zpravidla z oceli. Doplněny jsou „kosti“ a „svaly“, které se mohou například vyrobit pomocí elastické síťoviny z polystyrénových kuliček. Rám poskytuje podpůrnou část pro elektronické a mechanické komponenty, stejně tak pro výsledný tvar vnější kůže. „Kůže“ na postavě se nejčastěji vyrábí z pěnové pryže, silikonu nebo polyuretanu, které se nalijí do formy a nechají vytvrdit. Pro větší pevnost se do formy s vlitou látkou přidává molitan. Jakmile je forma vytvrzená, tak se jednotlivé kusy oddělí a následně se připojí na vnější stranu animatronické postavy.

Struktura Animatronická postava je obvykle navržena tak, aby vypadala co nejreálněji. Rám postavy vypadá jako „kostra“. Klouby, motory a aktuátory nahrazují pohyb svalů. Elektrické komponenty spolu s dráty připomínají „nervový systém“ reálného zvířete či osoby. Rám nebo kostra Pro stavbu animatrona se běžně používá ocel, hliník, plast a dřevo. Každý materiál má své výhody a nevýhody. Je třeba brát v úvahu hmotnost postavy a její relativní silové schopnosti a podle toho vybrat vhodný materiál. Exteriér a kůže Při výrobě kůže animatronické postavy se v závislosti na konkrétních podmínkách vybírá materiál, který bude nejvíce připomínat skutečnou kůži reálného tvora. Pro další prvky se využívají různé dostupné materiály, například „oči“ a „zuby“ jsou obvykle vyrobené kompletně z akrylu. Latex Při výrobě se často používá latex, protože má vysokou pružnost. Latexu existuje mnoho druhů, populární je například Grade 77 – forma latexu, která rychle schne a je dostatečně hustá. Využívá se i odlehčená forma latexu – latexová pěna, ze které se vytvářejí masky a obličejové protézy ke změně zevnějšku člověka a v animatronice pro vytvoření realistické „kůže“. Čaroděj ze země Oz z roku 1993 byl jedním z prvních filmů, kde se ve velké míře využívaly pěnové latexové protézy. Silikon Společnost Disney má výzkumný tým, jenž se zaměřuje na rozvoj lepších metod vytváření realistických zevnějšků animatronů pomocí silikonu. RTV silikon se používá především jako tvarovací hmota, velmi snadno se totiž zpracovává, ale je poměrně drahý. Jeho přilnavost k různým materiálům je minimální, a proto jej lze snadno oddělit od formy. Tvorbě bublin v silikonu se dá zabránit pomalým naléváním tekutiny. Tvorbě bublin lze také předejít zpracováním ve vakuové komoře. Polyuretan Polyuretanový kaučuk je další vynikající materiál, který lze použít i v místech naneseného silikonu. Polyuretan má různé úrovně tvrdosti. Tuhá polyuretanová pěna se používá v prototypech, protože se může frézovat a tvarovat. Flexibilní polyuretanová pěna se často používá na samotný objekt k dokončení animatronické postavy, protože je pružný a má dobrou vazbu s latexem. Pohyb Pneumatické aktuátory se používají pro malé animatrony. Pro větší animatrony nejsou dostatečně výkonné a musejí se doplnit hydraulikou. K vytvoření realistických pohybů u velkých postav se pro celý rozsah pohybů obecně používá analogový (plynulý) systém, u malých jednoduchých postav leckdy postačí jen dvě pozice polohy. Emoční modelování Simulace mimiky lidí a dalších žijících tvorů je celkem náročným úkolem. Jedním z nejpoužívanějších emočních modelů je FACS (Facial Action Coding System), který vypracovali Ekman a Friesen. Model FACS předpokládá, že lidé mohou prostřednictvím výrazu obličeje rozpoznat šest základních emocí: zlost, odpor, strach, radost, smutek a překvapení. Složitějším modelem je OOC (Ortony, Clore a Colise), který definuje 22 různých emočních kategorií.

Nalevo: Jednoduchá animatronická kostra s omezenými možnostmi pohybu [7].
Napravo: Animatronická kostra před a po dokončení [3].

Animatronie ve filmu [10]. (mp4, 22 MB)

Závěr

Mechanické hračky měli lidé v oblibě už od starověku. Ve 20. století začal využívat mechanické náhrady skutečných bytostí Walt Disney. Současné materiály a nové technologie umožnily vytvářet animatrony jak pro pobavení, tak pro filmová studia, kde vhodně doplňují počítačové animace. Animatronie se stala bouřlivě se rozvíjejícím oborem, který využívá prvky robotiky k dosažení věrné iluze živé bytosti. Bez znalosti mnoha vědních oborů, jakými jsou anatomie, materiálové inženýrství, teoretická mechanika, mechantronika a robotika, by dosažené výsledky nebyly natolik přesvědčivé.

Odkazy