按鍵式計算器——人機交互的變革

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機械計算的歷史在齒輪的轉動下推進了兩個世紀。齒輪要工作，必須給它一個旋轉的動力，無論是旋鈕還是手柄，都逃不出這樣的思維定式，靠手柄驅動的機械計算器也常被統稱為手搖（式）計算器。

我們都知道，后來人與計算器的交互形式是按鍵的，這比手搖方便、快捷得多。對于電子計算器，很容易通過按鍵操作實現電路的通斷控制，但在機械計算器中，如何靠按鍵驅動齒輪運轉呢？

最早的按鍵輸入出現于與計算毫無關系的領域。1714年，英國人亨利·米爾（Henry Mill）取得打字機的發明專利，此時，年近古稀的萊布尼茨正從曠日持久的微積分之爭中敗下陣來；19世紀初，意大利一位美麗的貴族女性雙目失明，深愛著她的男友和她的哥哥合力為她建造了第一臺打字機，此時，年輕的托馬斯還沒有想到算術儀的點子；1874年，素有“打字機之父”之稱的美國人克里斯托夫·拉森·肖爾斯（Christopher Latham Sholes）開始了打字機的商業化生產，并設計了我們熟悉的“QWERTY”樣式，此時，托馬斯剛過世不久，他的算術儀占據了整個機械計算市場，而鮑德溫和奧德納還未取得銷輪計算器的專利。

打字機便捷的鍵盤操作啟發著機械計算器的設計者們，最早的按鍵式計算器設計見諸1822年《新世紀的發明》（《A New Century of Inventions: Being Designs & Descriptions of One Hundred Machines, relating to Arts, Manufactures, & Domestic Life》，作者James White）一書，隨后有意、法、美等多國的發明家為按鍵式計算器的建造與改進前赴后繼。在歷經60多年默默無聞的技術儲備之后，按鍵式計算器終于由一位名叫做多爾·尤金·菲爾特（Dorr Eugene Felt）的美國人帶進了大眾的視野。

菲爾特和他的機器

多爾·尤金·菲爾特（Dorr Eugene Felt），1862-1930，美國發明家、實業家。（圖片來自維基百科）

菲爾特出生于美國威斯康星洲的貝洛伊特鎮，14歲前，在家里的農場上，是無憂無慮的童年。年齡稍大些后，菲爾特漸漸意識到自己對機械技術有著濃厚的興趣和很高的天賦，于是在16歲時到鎮上找了一家機器坊，開始了機械設計生涯。1882年初，20歲的菲爾特來到芝加哥的一家軋鋼廠擔任領班，工作之余，一個個的分散的零件在他腦中相互連接，它們不斷調整著自己的位置和形狀，一臺按鍵式計算器的架構逐漸成形。

然而當機器的所有細節都已就位，菲爾特卻犯起了難——一沒有資金，二沒有合適的材料，模型一直停留在想象當中。有一天，他突然發現裝通心粉的盒子和他構想的機器外形十分相似，也許能派上用場，說做就做，從1884年的感恩節假期，到1885年元旦過后不久，第一臺樸素原型機誕生了——這是一只木質的通心粉盒子，里面組裝著從小商店里淘來的肉扦子、訂書釘、橡皮筋等小零件。

（圖片來自維基百科）

放錯了，不是通心粉，是盒子！

菲爾特的第一臺原型機（圖片來自維基百科）

好在不多久，菲爾特就遇到了贊助商羅伯特·塔蘭特（Robert Tarrant）。塔蘭特十分看好菲爾特計算器的前景，于是給他提供了每周6美元的補助和一個像樣的工作臺，以及高達5000美元的制作費用。

事實證明，塔蘭特的眼光是正確的。1886年的秋天，菲爾特就做出了第一臺實際可用的原型，并于次年7月獲得專利。1887年11月，倆人簽訂合作協議，一個提供技術，一個提供資金，于1889年1月25日成立菲爾特&塔蘭特制造公司（Felt & Tarrant Manufacturing Company）。他們為所生產的計算器專門想了個名字——comptometer（計算儀），這個單詞后來成為按鍵式計算器的代名詞，盡管菲爾特和塔蘭特一再強調其商標的專用性。

計算儀的內部實現基本參考了帕斯卡的算術機，尤其在進位方面沿用了他的蘇托爾裝置。在此基礎上，菲爾特又照搬了美國人托馬斯·希爾（Thomas Hill）的按鍵設計。

托馬斯·希爾（Thomas Hill），1818-1891，美國數學家、科學家、哲學家、教育家、牧師，于1857年獲得按鍵式計算器專利。（圖片來自維基百科、美國專利18692）

這是一種“全鍵盤”設計，每個數位都有1～9九個按鍵（0不需要置數），某一位上要置什么數，就按下這一列上對應的按鍵。每列按鍵都裝在一根杠桿上，杠桿前端有一根與杠桿垂直的齒條，按下按鍵帶動杠桿擺動，與齒條嚙合的齒輪隨之旋轉一定角度。按鍵1～9的鍵程依次遞增，按下之后所帶動杠桿擺動的幅度便依次遞增，齒輪旋轉的角度也依次遞增。手指抬起后，在彈簧的作用下，按鍵和杠桿恢復原位，同時帶動齒輪反向旋轉，此時的齒輪帶動示數輪旋轉相應角度。這意味著，按完一個鍵，這個鍵所代表的數值就已經被累加到結果之上了，置數與計算一氣呵成，不再像手搖計算器那樣，完成置數后還要旋轉計算手柄。

按鍵操作轉換為齒輪旋轉的原理（圖片來自《How the Comptometer Works》）

公司成立之后，在菲爾特的持續改進下，計算儀經歷了多個階段的發展。

1889～1903年間，F&T公司生產了約6500臺計算儀，它們是通心粉盒子的“直系后代”，有著木質的外殼。作為一款產品，此時的算術儀已經擁有了一些出色的細節設計，比如按鍵——在縱向上，菲爾特采用了雙色設計，每三列按鍵替換一種顏色，方便使用者辨別數位；在橫向上，奇數行和偶數行上的鍵有著不同的觸感，前者表面平坦而規整，后者表面兩端微微翹起，方便使用者辨別數字；由于減法的實現沿用了帕斯卡的補碼方法，每個按鍵的數字旁邊用小字號標著它的補九碼。

一款1895年計算儀的按鍵近照（圖片來自維基百科）

木質的機器雖然輕巧，但不夠結實，1904～1906年，菲爾特將材料改為了金屬，這一階段的計算儀有了型號——Model A。在這一型中，菲爾特優化了帕斯卡的進位機構，使得按下按鍵所需的力減少了四分之三，并改進了清零功能——只需要旋轉1周機器側身的把手即可（之前的機器需要轉多周）。最了不起的，是支持同時按下多個數位上的按鍵，這一特性大大提升了計算儀的使用效率，以至于后來電子計算器出現后，某些情況下計算儀的速度仍更勝一籌。

一款1905年的Model A（圖片來自維基百科）

1907～1915年相繼推出了Model B～E。其中，產于1913～1915年的Model E增加了一種錯誤“應激”機制：當某個按鍵沒有按到位（按得太輕）時，除了該按鍵所在的那一列，其他所有列的按鍵都會自動鎖死，需要使用者將這個按鍵按到位后，使用解鎖按鈕將它們解鎖，才能繼續置數。按鍵的自鎖功能是由包裹在其周圍的金屬片實現的，看上去像一個小人萌萌地捂著自己的耳朵。

一款1914年的Model E（圖片來自維基百科）

1915～1920年推出的Model F將Model E的鎖鍵機構移進了盒內，并將解鎖按鈕做成了醒目的紅色。這一型計算儀得到了市場的強烈反響，銷量超過4萬臺。

1920年～二戰前，持續改進的Model H、Model J和ST（Super Totalizer）等型號將這種經典的“鞋盒形”計算儀推向了極致。其中，ST型還在原本結果示數的下方增加了一排可臨時記錄中間結果的區域。

一款30年代的Super Totalizer（圖片來自維基百科）

30年代～50年代，Model K、Model 992等機型相繼問世，F&T公司仿效電動打字機的做法，為它們加裝了馬達，旨在減輕按鍵所需的指力，從而進一步提高使用體驗和效率。

F&T公司在機械計算器市場一路高歌猛進，菲爾特在計算儀的改進上先后取得了46項美國專利和25項國外專利。在1947年F&T公司國有化之后，計算儀的生產幾經易主，1961年，其實際控股公司推出了世界上第一批電子計算器ANITA Mark VII和ANITA Mark VIII——計算儀被它青出于藍的后裔逐漸替代。

ANITA Mark VIII及其內部結構（圖片來自維基百科）

菲爾特不僅開辟了按鍵計算器市場，還誘發了另一個配套行業的興起——計算儀培訓。由于人機交互方式從手搖到按鍵的根本性變革，解決計算問題的操作步驟和技巧也與以前有了很大不同。菲爾特認為，本身只提供加減功能的計算儀更像一款通用型工具，只有掌握了豐富的算法，才能應對各領域復雜的計算問題。1914年，菲爾特出版了一本厚達600頁的專著——《Applied Mechanical Arithmetic as practised on the Comptometer》，提供了各種主流計算問題的最佳算法。到20年代晚期，全美一共涌現了超過百家計算儀的培訓學校，加上其他國家的學校，平均每年約有2萬名畢業生成為合格的計算儀操作員（comptometrist），支撐起日漸繁榮的機械計算時代。

后話

菲爾特的人生無疑是得意的，F&T公司成立那年，27歲的他就已榮獲富蘭克林學會的約翰·斯科特獎章。除了從商，菲爾特還擔任過美國商務部大使。他環游世界，成為一名出色的攝影師，其許多有關一戰的攝影作品為政府所用。

1919年，57歲的菲爾特被密歇根湖畔的美景深深吸引，便在這里一個叫霍蘭的鎮郊買下幾百畝地。隨后他用了三四年的時間，建起一座12000多平方英尺（約1115平方米）的豪華公館。公館內設25個房間和1個三層樓高的舞廳，足夠菲爾特夫婦和他們4位已婚女兒各自的家庭共同生活。不幸的是，在這個大家庭入住僅6個星期后，菲爾特的妻子就去世了，而他自己也在一年半后死于中風。

1949年后，菲爾特公館幾經易手，最后由州政府接管，成為一處尋覓計算機歷史的圣地。

菲爾特公館（圖片來自維基百科）

參考文獻

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