按键式计算器——人机交互的变革

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机械计算的历史在齿轮的转动下推进了两个世纪。齿轮要工作,必须给它一个旋转的动力,无论是旋钮还是手柄,都逃不出这样的思维定式,靠手柄驱动的机械计算器也常被统称为手摇(式)计算器。

我们都知道,后来人与计算器的交互形式是按键的,这比手摇方便、快捷得多。对于电子计算器,很容易通过按键操作实现电路的通断控制,但在机械计算器中,如何靠按键驱动齿轮运转呢?

最早的按键输入出现于与计算毫无关系的领域。1714年,英国人亨利·米尔(Henry Mill)取得打字机的发明专利,此时,年近古稀的莱布尼茨正从旷日持久的微积分之争中败下阵来;19世纪初,意大利一位美丽的贵族女性双目失明,深爱着她的男友和她的哥哥合力为她建造了第一台打字机,此时,年轻的托马斯还没有想到算术仪的点子;1874年,素有“打字机之父”之称的美国人克里斯托夫·拉森·肖尔斯(Christopher Latham Sholes)开始了打字机的商业化生产,并设计了我们熟悉的“QWERTY”样式,此时,托马斯刚过世不久,他的算术仪占据了整个机械计算市场,而鲍德温和奥德纳还未取得销轮计算器的专利。

打字机便捷的键盘操作启发着机械计算器的设计者们,最早的按键式计算器设计见诸1822年《新世纪的发明》(《A New Century of Inventions: Being Designs & Descriptions of One Hundred Machines, relating to Arts, Manufactures, & Domestic Life》,作者James White)一书,随后有意、法、美等多国的发明家为按键式计算器的建造与改进前赴后继。在历经60多年默默无闻的技术储备之后,按键式计算器终于由一位名叫做多尔·尤金·菲尔特(Dorr Eugene Felt)的美国人带进了大众的视野。

菲尔特和他的机器

多尔·尤金·菲尔特(Dorr Eugene Felt),1862-1930,美国发明家、实业家。(图片来自维基百科)

菲尔特出生于美国威斯康星洲的贝洛伊特镇,14岁前,在家里的农场上,是无忧无虑的童年。年龄稍大些后,菲尔特渐渐意识到自己对机械技术有着浓厚的兴趣和很高的天赋,于是在16岁时到镇上找了一家机器坊,开始了机械设计生涯。1882年初,20岁的菲尔特来到芝加哥的一家轧钢厂担任领班,工作之余,一个个的分散的零件在他脑中相互连接,它们不断调整着自己的位置和形状,一台按键式计算器的架构逐渐成形。

然而当机器的所有细节都已就位,菲尔特却犯起了难——一没有资金,二没有合适的材料,模型一直停留在想象当中。有一天,他突然发现装通心粉的盒子和他构想的机器外形十分相似,也许能派上用场,说做就做,从1884年的感恩节假期,到1885年元旦过后不久,第一台朴素原型机诞生了——这是一只木质的通心粉盒子,里面组装着从小商店里淘来的肉扦子、订书钉、橡皮筋等小零件。

(图片来自维基百科)

放错了,不是通心粉,是盒子!

菲尔特的第一台原型机(图片来自维基百科)

好在不多久,菲尔特就遇到了赞助商罗伯特·塔兰特(Robert Tarrant)。塔兰特十分看好菲尔特计算器的前景,于是给他提供了每周6美元的补助和一个像样的工作台,以及高达5000美元的制作费用。

事实证明,塔兰特的眼光是正确的。1886年的秋天,菲尔特就做出了第一台实际可用的原型,并于次年7月获得专利。1887年11月,俩人签订合作协议,一个提供技术,一个提供资金,于1889年1月25日成立菲尔特&塔兰特制造公司(Felt & Tarrant Manufacturing Company)。他们为所生产的计算器专门想了个名字——comptometer(计算仪),这个单词后来成为按键式计算器的代名词,尽管菲尔特和塔兰特一再强调其商标的专用性。

计算仪的内部实现基本参考了帕斯卡的算术机,尤其在进位方面沿用了他的苏托尔装置。在此基础上,菲尔特又照搬了美国人托马斯·希尔(Thomas Hill)的按键设计。

托马斯·希尔(Thomas Hill),1818-1891,美国数学家、科学家、哲学家、教育家、牧师,于1857年获得按键式计算器专利。(图片来自维基百科、美国专利18692)

这是一种“全键盘”设计,每个数位都有1~9九个按键(0不需要置数),某一位上要置什么数,就按下这一列上对应的按键。每列按键都装在一根杠杆上,杠杆前端有一根与杠杆垂直的齿条,按下按键带动杠杆摆动,与齿条啮合的齿轮随之旋转一定角度。按键1~9的键程依次递增,按下之后所带动杠杆摆动的幅度便依次递增,齿轮旋转的角度也依次递增。手指抬起后,在弹簧的作用下,按键和杠杆恢复原位,同时带动齿轮反向旋转,此时的齿轮带动示数轮旋转相应角度。这意味着,按完一个键,这个键所代表的数值就已经被累加到结果之上了,置数与计算一气呵成,不再像手摇计算器那样,完成置数后还要旋转计算手柄。

按键操作转换为齿轮旋转的原理(图片来自《How the Comptometer Works》)

公司成立之后,在菲尔特的持续改进下,计算仪经历了多个阶段的发展。

1889~1903年间,F&T公司生产了约6500台计算仪,它们是通心粉盒子的“直系后代”,有着木质的外壳。作为一款产品,此时的算术仪已经拥有了一些出色的细节设计,比如按键——在纵向上,菲尔特采用了双色设计,每三列按键替换一种颜色,方便使用者辨别数位;在横向上,奇数行和偶数行上的键有着不同的触感,前者表面平坦而规整,后者表面两端微微翘起,方便使用者辨别数字;由于减法的实现沿用了帕斯卡的补码方法,每个按键的数字旁边用小字号标着它的补九码。

一款1895年计算仪的按键近照(图片来自维基百科)

木质的机器虽然轻巧,但不够结实,1904~1906年,菲尔特将材料改为了金属,这一阶段的计算仪有了型号——Model A。在这一型中,菲尔特优化了帕斯卡的进位机构,使得按下按键所需的力减少了四分之三,并改进了清零功能——只需要旋转1周机器侧身的把手即可(之前的机器需要转多周)。最了不起的,是支持同时按下多个数位上的按键,这一特性大大提升了计算仪的使用效率,以至于后来电子计算器出现后,某些情况下计算仪的速度仍更胜一筹。

一款1905年的Model A(图片来自维基百科)

1907~1915年相继推出了Model B~E。其中,产于1913~1915年的Model E增加了一种错误“应激”机制:当某个按键没有按到位(按得太轻)时,除了该按键所在的那一列,其他所有列的按键都会自动锁死,需要使用者将这个按键按到位后,使用解锁按钮将它们解锁,才能继续置数。按键的自锁功能是由包裹在其周围的金属片实现的,看上去像一个小人萌萌地捂着自己的耳朵。

一款1914年的Model E(图片来自维基百科)

1915~1920年推出的Model F将Model E的锁键机构移进了盒内,并将解锁按钮做成了醒目的红色。这一型计算仪得到了市场的强烈反响,销量超过4万台。

1920年~二战前,持续改进的Model H、Model J和ST(Super Totalizer)等型号将这种经典的“鞋盒形”计算仪推向了极致。其中,ST型还在原本结果示数的下方增加了一排可临时记录中间结果的区域。

一款30年代的Super Totalizer(图片来自维基百科)

30年代~50年代,Model K、Model 992等机型相继问世,F&T公司仿效电动打字机的做法,为它们加装了马达,旨在减轻按键所需的指力,从而进一步提高使用体验和效率。

F&T公司在机械计算器市场一路高歌猛进,菲尔特在计算仪的改进上先后取得了46项美国专利和25项国外专利。在1947年F&T公司国有化之后,计算仪的生产几经易主,1961年,其实际控股公司推出了世界上第一批电子计算器ANITA Mark VII和ANITA Mark VIII——计算仪被它青出于蓝的后裔逐渐替代。

ANITA Mark VIII及其内部结构(图片来自维基百科)

菲尔特不仅开辟了按键计算器市场,还诱发了另一个配套行业的兴起——计算仪培训。由于人机交互方式从手摇到按键的根本性变革,解决计算问题的操作步骤和技巧也与以前有了很大不同。菲尔特认为,本身只提供加减功能的计算仪更像一款通用型工具,只有掌握了丰富的算法,才能应对各领域复杂的计算问题。1914年,菲尔特出版了一本厚达600页的专著——《Applied Mechanical Arithmetic as practised on the Comptometer》,提供了各种主流计算问题的最佳算法。到20年代晚期,全美一共涌现了超过百家计算仪的培训学校,加上其他国家的学校,平均每年约有2万名毕业生成为合格的计算仪操作员(comptometrist),支撑起日渐繁荣的机械计算时代。

后话

菲尔特的人生无疑是得意的,F&T公司成立那年,27岁的他就已荣获富兰克林学会的约翰·斯科特奖章。除了从商,菲尔特还担任过美国商务部大使。他环游世界,成为一名出色的摄影师,其许多有关一战的摄影作品为政府所用。

1919年,57岁的菲尔特被密歇根湖畔的美景深深吸引,便在这里一个叫霍兰的镇郊买下几百亩地。随后他用了三四年的时间,建起一座12000多平方英尺(约1115平方米)的豪华公馆。公馆内设25个房间和1个三层楼高的舞厅,足够菲尔特夫妇和他们4位已婚女儿各自的家庭共同生活。不幸的是,在这个大家庭入住仅6个星期后,菲尔特的妻子就去世了,而他自己也在一年半后死于中风。

1949年后,菲尔特公馆几经易手,最后由州政府接管,成为一处寻觅计算机历史的圣地。

菲尔特公馆(图片来自维基百科)

参考文献

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