看过《三体》的朋友们,一定还记得那个架空名场面——冯·诺依曼让秦始皇安排三千万个士兵组成的人列计算器。通过士兵举黑白旗显现的信号代替了二进制进行运算。
图片来自《三体》电视剧截图
别紧张!不用你现在就理解与、或、非门的逻辑门电路。我们往大了看看计算机的硬件系统基本结构。
拿一台现代计算器的各个硬件部分来具象,就能很好的做一个对应。
输入设备,譬如鼠标、键盘等;
控制器和运算器,往往合称为中央处理单元,即 CPU(Central Processing Unit)等;
输出设备,显示器、打印机、音响等。
这一套硬件组成系统被称为冯·诺依曼体系,由这位数学家冠名创立。但并非他凭空想象而成,而是总结前人经验所得。因为,在电子计算器普及之前,还经历了手动计算器和机械计算器的时代。冯·诺依曼也沿袭着「路径依赖」这一创造规则,简称踩着巨人的肩膀前行。接下来,咱们就一探究竟。
朋友,请举例一款计算器,要是你脑子里立刻想到的!
我想,大多数人脑中浮现的都会是下图这种长相的电子计算器,带电的,能自动计算。只需要用按键输入数据和运算法则,结果会自动输出到一块电子屏上。常见到不起眼……
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如果你凑巧最近还看了点古装剧,脑中应该还会想到噼里啪啦打得精妙的算盘。使用算盘进行计算,全由人手在扒拉算珠操作,计算过程靠的也还是我们人脑在记背的珠算口诀,而算珠排布的变化展示的则是其中的寄存结果。这一类属于手动计算器,可做不到自动计算。
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不卖关子了。这篇文章,我们就聊聊介于这两者之间的机械计算器。
01
机械计算器的现代身影
第一次工业革命的代表是用机器取代人力、畜力,人类进入机器时代。第二次工业革命的代表是电力的大规模应用,我们进入了电力时代。现在我们处在第三次工业革命,各类信息技术和科技创新带来的现代便利中,更直白点,我们处于一种只一眼是看不懂事物原理的时代。
而计算器的发展也跟着上面的时代潮流在发展,经历了三个阶段,从手动计算器到电子计算器,这中间还经历过机械计算器的阶段。只是这个阶段已经被「日新月异」掉了,甚至让人觉得好像从未展现在我们面前?毕竟,四十岁以下的朋友们出生时,周围身边物品全带电了…我说的是电力。
然而,实际上我们所有人的身边,都还有机械计算机残留的熟悉身影。不信就来看看?
02
后期的机械计算器
我们先来看一款在机械计算器时期比较后期的机器 Divisumma 24,它能以每分钟 250 次循环的速度依次快速加、减、乘、除运算。这台由 Marcello Nizzoli 设计的机器于 1963 年 9 月开始在意大利被 Olivetti 公司大批量生产制造。选它介绍的原因,是这台机械计算器在上个世纪七十年代的市场上足够成功——共生产了约 600 万台,也是该公司在全世界销量最多的机械计算器型号。
正因为是机械计算器时期比较后期的产品,这台机械计算器并非是完全的纯机械设计,需要外接一个下图最右侧的 70 瓦蜗杆电机作为动力源进行驱动。整机内部没有电路板,也没有传感器,没有任何什么高科技到令人看不懂的现代元器件。有的只是齿轮、弹簧、连动杆等共约 3800 个机械零部件在相互配合着完成工作。这也说明,在它闪亮登场的时代,这样的机械工艺水平已然登峰造极。
图片来自 Multyplus1
操作时,我们只需要输入要做计算的数字,然后计算的不同阶段和输出结果,都会分成两种不用颜色的墨水被打印到机器上方的一卷纸带上。下图我们可以通过观察机器的计算时间,感知到这台机械计算器在不同运算法则下的计算速度。比如 12 加 45,这个 57 的计算结果几乎是立刻就被输出到纸带上。而 45 乘 78 的运算结果 3510 却需要停顿一阵。
以下视频是 1962 年 Divisumma 24的组装视频,摄录后用来给工厂的组装人员培训使用。3800 个零部件的组装,即便是二十一世纪的现代人,也不能毫无痛苦地看懂……忍不住要发出「什么样的头脑,能设计出这种东西」的感慨。
视频来源:https://www.YouTube.com/watch?v=5BkQ-hfcLEg
03
相似的打字机
看到这里,仔细观察的你有没有发现这台机械计算器,似乎和打字机有一些相像?一样的按键下压作为输入,一样的纸带打字输出结果。说出你的大胆推测?对,它们在设计上确实一脉相承!工程师 Camillo Olivetti 在 1908 年初创以姓氏命名的公司 Olivetti 时,最初生产的就是打字机。
我们不妨来看看这同一家公司在 1950s 生产的 Olivetti Lettera 22 打字机,作为那个年代最具标志性的打字机之一,还在 1959 年被美国伊利诺伊理工学院选为过去 100 年最佳设计产品。而这款打字机也由 Divisumma 24 机械计算器的设计师 Marcello Nizzoli 进行设计,如果你有机会去纽约的 MoMA,也就是现代艺术博物馆(Museum of Modern Art),还能看到这款永久收藏品。
图片来自 YEGTypewriters
04
设计趋同
如此相似的设计,就要说到设计方法上的一种现象——设计趋同。有时为了减少使用者的认知成本,能快速的适应一种新产品,商业设计的一些功能和布局会呈现趋同化。除此之外,这也减轻了设计师的创新压力,对于工厂的大批量生产来说也减轻了开模和工人组装的负担。可以说是设计史上的前人栽树,后人乘凉。
也正是因为设计趋同,即便是被科技飞速发展逐渐淘汰的奇思妙想,已然分不清究竟是谁模仿了谁,但总还能发掘出曾经的技术遗迹。现今,上图这类机械打字机已经很少有人在使用了,但我正敲击着的键盘和显示器上呈现的文字,不正以电子计算机这一另外的形式,延续着它曾经存留世间的痕迹吗?
05
早期的机械计算器
我们看过了后期的机械计算器,被它的精妙结构所震撼,赶紧来看一款早期的机械计算器平复一下心情。时间往前倒推 300 余年,一款 1642 年由布莱兹·帕斯卡发明的滚轮式加法器,也被称为帕斯卡计算器。这款机械计算器,可以直接对两个数字进行加减运算。
那一年,发明者年仅 19 岁,初衷只是为了减轻作为税务官的父亲的工作量。帕斯卡这个名字是不是有些耳熟?我们在初中科学课上学过的压强单位帕斯卡(Pa),也是因为他的杰出贡献而以他的名字命名。这是一位科学史上杰出的数学家、物理学家、化学家、气象学家……
来看下图的实操,正在拨动下方的转盘依次输入两个数字,要进行加法或减法运算。
图片来自 Yves Serra
简单的看一个单独的转盘内联结机构的内部原理。
图片来自 Colegiul Economic Ion Ghica
不同转盘间的联动,则是当一个转盘的数值达到 10,也就是说转了一圈后,这个齿就会驱动第二个齿轮,完成升位。
06
做加法的水表
这个升位的小机械结构,你应该会非常熟悉。水表,其实就是一种二十一世纪还在使用的机械加法计算器,只是现在自动计算的是你家的用水量。
我们来看一个速度式水表拆解后的下层,找的图源自流体力学的模拟资料。所谓的速度式水表,就是机械结构通过水流速度的快慢推算你的用水量多少。能看到一个个模拟水流的小球是先经过了滤网,再推动腔体中的叶轮旋转。
图片来自 Tintschl BESt AG (english)
而叶轮上同轴接的齿轮,会延伸进水表的上层。这里面是一成套的减速齿轮组。由它们再驱动读书盘,步进着去显示做加法。一样是后一个转盘的转一圈,完成一次进位。可以说齿轮成了这类机械设备的心脏。
图片来自 Tech & Lifestyle
简单的了解机械计算器阶段的头尾两款机器。我们就会发现这类机器发展的最大限制,已经是材料本身,机械零部件本身的质量让组装和设计变得异常复杂。但也正是因为机械结构的复杂性,赋予了机械计算器极高的欣赏价值,这或许也是人们迷恋「蒸汽朋克」这一科幻题材的原因所在。好在,我们的生活会一直建立在过去的智慧之上,只是换了一种表达形式。
参考文献:
[1]http://www.marcello-nizzoli.com/
[2]https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_690100
[3]书籍《01改变世界》和《运筹·机巧:机械计算机发明史》
作者|张金妙 伦敦大学金匠学院实践设计硕士
审核|王扬宗 中国科学院大学人文学院教授