看過《三體》的朋友們，一定還記得那個架空名場面——馮·諾依曼讓秦始皇安排三千萬個士兵組成的人列計算器。通過士兵舉黑白旗顯現(xiàn)的信號代替了二進(jìn)制進(jìn)行運算。

(資料圖片僅供參考)

圖片來自《三體》電視劇截圖

別緊張！不用你現(xiàn)在就理解與、或、非門的邏輯門電路。我們往大了看看計算機的硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

拿一臺現(xiàn)代計算器的各個硬件部分來具象，就能很好的做一個對應(yīng)。

輸入設(shè)備，譬如鼠標(biāo)、鍵盤等；

控制器和運算器，往往合稱為中央處理單元，即 CPU（Central Processing Unit）等；

存儲器，顧名思義，是我們常說的內(nèi)存條和硬盤等；

輸出設(shè)備，顯示器、打印機、音響等。

這一套硬件組成系統(tǒng)被稱為馮·諾依曼體系，由這位數(shù)學(xué)家冠名創(chuàng)立。但并非他憑空想象而成，而是總結(jié)前人經(jīng)驗所得。因為，在電子計算器普及之前，還經(jīng)歷了手動計算器和機械計算器的時代。馮·諾依曼也沿襲著「路徑依賴」這一創(chuàng)造規(guī)則，簡稱踩著巨人的肩膀前行。接下來，咱們就一探究竟。

朋友，請舉例一款計算器，要是你腦子里立刻想到的！

我想，大多數(shù)人腦中浮現(xiàn)的都會是下圖這種長相的電子計算器，帶電的，能自動計算。只需要用按鍵輸入數(shù)據(jù)和運算法則，結(jié)果會自動輸出到一塊電子屏上。常見到不起眼……

圖蟲創(chuàng)意

如果你湊巧最近還看了點古裝劇，腦中應(yīng)該還會想到噼里啪啦打得精妙的算盤。使用算盤進(jìn)行計算，全由人手在扒拉算珠操作，計算過程靠的也還是我們?nèi)四X在記背的珠算口訣，而算珠排布的變化展示的則是其中的寄存結(jié)果。這一類屬于手動計算器，可做不到自動計算。

不賣關(guān)子了。這篇文章，我們就聊聊介于這兩者之間的機械計算器。

01

機械計算器的現(xiàn)代身影

第一次工業(yè)革命的代表是用機器取代人力、畜力，人類進(jìn)入機器時代。第二次工業(yè)革命的代表是電力的大規(guī)模應(yīng)用，我們進(jìn)入了電力時代。現(xiàn)在我們處在第三次工業(yè)革命，各類信息技術(shù)和科技創(chuàng)新帶來的現(xiàn)代便利中，更直白點，我們處于一種只一眼是看不懂事物原理的時代。

而計算器的發(fā)展也跟著上面的時代潮流在發(fā)展，經(jīng)歷了三個階段，從手動計算器到電子計算器，這中間還經(jīng)歷過機械計算器的階段。只是這個階段已經(jīng)被「日新月異」掉了，甚至讓人覺得好像從未展現(xiàn)在我們面前？畢竟，四十歲以下的朋友們出生時，周圍身邊物品全帶電了……我說的是電力。

然而，實際上我們所有人的身邊，都還有機械計算機殘留的熟悉身影。不信就來看看？

02

后期的機械計算器

我們先來看一款在機械計算器時期比較后期的機器 Divisumma 24，它能以每分鐘 250 次循環(huán)的速度依次快速加、減、乘、除運算。這臺由 Marcello Nizzoli 設(shè)計的機器于 1963 年 9 月開始在意大利被 Olivetti 公司大批量生產(chǎn)制造。選它介紹的原因，是這臺機械計算器在上個世紀(jì)七十年代的市場上足夠成功——共生產(chǎn)了約 600 萬臺，也是該公司在全世界銷量最多的機械計算器型號。

正因為是機械計算器時期比較后期的產(chǎn)品，這臺機械計算器并非是完全的純機械設(shè)計，需要外接一個下圖最右側(cè)的 70 瓦蝸桿電機作為動力源進(jìn)行驅(qū)動。整機內(nèi)部沒有電路板，也沒有傳感器，沒有任何什么高科技到令人看不懂的現(xiàn)代元器件。有的只是齒輪、彈簧、連動桿等共約 3800 個機械零部件在相互配合著完成工作。這也說明，在它閃亮登場的時代，這樣的機械工藝水平已然登峰造極。

圖片來自 Multyplus1

操作時，我們只需要輸入要做計算的數(shù)字，然后計算的不同階段和輸出結(jié)果，都會分成兩種不用顏色的墨水被打印到機器上方的一卷紙帶上。下圖我們可以通過觀察機器的計算時間，感知到這臺機械計算器在不同運算法則下的計算速度。比如 12 加 45，這個 57 的計算結(jié)果幾乎是立刻就被輸出到紙帶上。而 45 乘 78 的運算結(jié)果 3510 卻需要停頓一陣。

圖片來自 Angelo

以下視頻是 1962 年 Divisumma 24的組裝視頻，攝錄后用來給工廠的組裝人員培訓(xùn)使用。3800 個零部件的組裝，即便是二十一世紀(jì)的現(xiàn)代人，也不能毫無痛苦地看懂……忍不住要發(fā)出「什么樣的頭腦，能設(shè)計出這種東西」的感慨。

視頻來源：Archivio Nazionale Cinema Impresa

03

相似的打字機

看到這里，仔細(xì)觀察的你有沒有發(fā)現(xiàn)這臺機械計算器，似乎和打字機有一些相像？一樣的按鍵下壓作為輸入，一樣的紙帶打字輸出結(jié)果。說出你的大膽推測？對，它們在設(shè)計上確實一脈相承！工程師 Camillo Olivetti 在 1908 年初創(chuàng)以姓氏命名的公司 Olivetti 時，最初生產(chǎn)的就是打字機。

我們不妨來看看這同一家公司在 1950s 生產(chǎn)的 Olivetti Lettera 22 打字機，作為那個年代最具標(biāo)志性的打字機之一，還在 1959 年被美國伊利諾伊理工學(xué)院選為過去 100 年最佳設(shè)計產(chǎn)品。而這款打字機也由 Divisumma 24 機械計算器的設(shè)計師 Marcello Nizzoli 進(jìn)行設(shè)計，如果你有機會去紐約的 MoMA，也就是現(xiàn)代藝術(shù)博物館（Museum of Modern Art），還能看到這款永久收藏品。

圖片來自 YEGTypewriters

04

設(shè)計趨同

如此相似的設(shè)計，就要說到設(shè)計方法上的一種現(xiàn)象——設(shè)計趨同。有時為了減少使用者的認(rèn)知成本，能快速的適應(yīng)一種新產(chǎn)品，商業(yè)設(shè)計的一些功能和布局會呈現(xiàn)趨同化。除此之外，這也減輕了設(shè)計師的創(chuàng)新壓力，對于工廠的大批量生產(chǎn)來說也減輕了開模和工人組裝的負(fù)擔(dān)?？梢哉f是設(shè)計史上的前人栽樹，后人乘涼。

也正是因為設(shè)計趨同，即便是被科技飛速發(fā)展逐漸淘汰的奇思妙想，已然分不清究竟是誰模仿了誰，但總還能發(fā)掘出曾經(jīng)的技術(shù)遺跡?，F(xiàn)今，上圖這類機械打字機已經(jīng)很少有人在使用了，但我正敲擊著的鍵盤和顯示器上呈現(xiàn)的文字，不正以電子計算機這一另外的形式，延續(xù)著它曾經(jīng)存留世間的痕跡嗎？

05

早期的機械計算器

我們看過了后期的機械計算器，被它的精妙結(jié)構(gòu)所震撼，趕緊來看一款早期的機械計算器平復(fù)一下心情。時間往前倒推 300 余年，一款 1642 年由布萊茲·帕斯卡發(fā)明的滾輪式加法器，也被稱為帕斯卡計算器。這款機械計算器，可以直接對兩個數(shù)字進(jìn)行加減運算。

那一年，發(fā)明者年僅 19 歲，初衷只是為了減輕作為稅務(wù)官的父親的工作量。帕斯卡這個名字是不是有些耳熟？我們在初中科學(xué)課上學(xué)過的壓強單位帕斯卡（Pa），也是因為他的杰出貢獻(xiàn)而以他的名字命名。這是一位科學(xué)史上杰出的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家、氣象學(xué)家……

來看下圖的實操，正在撥動下方的轉(zhuǎn)盤依次輸入兩個數(shù)字，要進(jìn)行加法或減法運算。

圖片來自 Yves Serra

簡單的看一個單獨的轉(zhuǎn)盤內(nèi)聯(lián)結(jié)機構(gòu)的內(nèi)部原理。

圖片來自 Colegiul Economic Ion Ghica

不同轉(zhuǎn)盤間的聯(lián)動，則是當(dāng)一個轉(zhuǎn)盤的數(shù)值達(dá)到 10，也就是說轉(zhuǎn)了一圈后，這個齒就會驅(qū)動第二個齒輪，完成升位。

06

做加法的水表

這個升位的小機械結(jié)構(gòu)，你應(yīng)該會非常熟悉。水表，其實就是一種二十一世紀(jì)還在使用的機械加法計算器，只是現(xiàn)在自動計算的是你家的用水量。

我們來看一個速度式水表拆解后的下層，找的圖源自流體力學(xué)的模擬資料。所謂的速度式水表，就是機械結(jié)構(gòu)通過水流速度的快慢推算你的用水量多少。能看到一個個模擬水流的小球是先經(jīng)過了濾網(wǎng)，再推動腔體中的葉輪旋轉(zhuǎn)。

圖片來自 Tintschl BESt AG (english)

而葉輪上同軸接的齒輪，會延伸進(jìn)水表的上層。這里面是一成套的減速齒輪組。由它們再驅(qū)動讀書盤，步進(jìn)著去顯示做加法。一樣是后一個轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)一圈，完成一次進(jìn)位?？梢哉f齒輪成了這類機械設(shè)備的心臟。

圖片來自 Tech & Lifestyle

簡單的了解機械計算器階段的頭尾兩款機器。我們就會發(fā)現(xiàn)這類機器發(fā)展的最大限制，已經(jīng)是材料本身，機械零部件本身的質(zhì)量讓組裝和設(shè)計變得異常復(fù)雜。但也正是因為機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，賦予了機械計算器極高的欣賞價值，這或許也是人們迷戀「蒸汽朋克」這一科幻題材的原因所在。好在，我們的生活會一直建立在過去的智慧之上，只是換了一種表達(dá)形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]http://www.marcello-nizzoli.com/

[2]https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_690100

[3]書籍《01改變世界》和《運籌·機巧：機械計算機發(fā)明史》

作者｜張金妙 倫敦大學(xué)金匠學(xué)院實踐設(shè)計碩士

審核｜王揚宗 中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院教授

本文由“科普中國”出品，轉(zhuǎn)載請注明出處。

標(biāo)簽： 工業(yè)革命 自動計算 機械結(jié)構(gòu)