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触摸屏:领先科幻世界二十年--广州迈誉赫电子科

134 发布时间:2019-04-22

 

 大家这些年的科幻大片里面各种全息影像投屏,各种神操作。其实都是触摸屏的原理,科幻作家们都没能想象到的触摸屏,被科学家们抢先制造出来了。

       令人难以置信的是,在几十年前,触摸屏这种技术就算是在科幻世界内都是天方夜谭。今天,它已经成为了无处不在的日常科技:手机、平板、柜员机、车站或者影片院里的售票机……在这些便利的背后,有着怎样的发明故事呢?

       最早的触摸屏于1967年诞生于美国,这个发明恐怕是对科幻界的一个巨大嘲讽:就算是当时最疯狂的科幻作家,都想不到触摸屏这种东西。红遍全世界、以前沿科技著称的科幻连续剧《星球大战》直到1987年才提到触摸屏的概念,比现实的科学家们足足落后了20年。

       

                                        现在大家熟知的触摸屏(网络图)

 

1967年:第一块触摸屏诞生

       人们普遍认为,美国马文镇皇家雷达研究所的约翰逊(E.A. Johnson)是世界上第一个提出触摸屏概念的人。

       1965年,这位普通的计算机研究员在《电子通报(Electronics— Letters)》杂志上发表了一篇简短的论文《触摸面板:一种新的电脑输入设备》,并在里面描述了自己对电容式触摸屏的设想:

       屏幕的主体是一块复合的玻璃屏,内表面涂有一层名为ITO的金属氧化物,四角有四个电极。当手指头触碰到玻璃屏的时候,由于人体自带的电场,会令手指头和玻璃内层的金属层形成一个电容,从而“吸走”该位置的少量电流。

       这个“泄漏”的电流是从四个电极流出来的,而且理论上流经不同电极的部分与手指头到电极的距离成正比。通过控制器的精密计算,就可以准确地得到手指头的位置。

       两年后,约翰逊将这个设想变成了现实,制造出了人类历史上第一块触摸屏,并将这块触摸屏的照片和原理图发表在了一本名为《工效学(Ergonomics)》的杂志上。

这是一块虽然笨重但很令人耳目一新的屏幕,在约翰逊的设计下,甚至有种魔术般的效果:无论手指头点到哪里,屏幕就会在该处发出亮光。

       
                                                约翰逊的触摸屏(网络图)

 

       当然,约翰逊的这个发明也有着致命的缺点:首先,它只能计算一个手指头的位置,如果屏幕上有多处接触,控制器的计算就会变得混乱;

       另外,这块屏幕对接触的感应是“非黑即白”的,它只记录两种信息:有接触,或者没有接触。它不能感知接触时的力度,轻轻掠过和重重按下对它来说都是一样的。

       约翰逊的触摸屏诞生后的第二年,欧洲核原子能研究所的几位专家便向他提出了合作邀请——他们开始一起研究一种用于空中指挥航空的新系统。由于这份工作并不需要触摸屏有太多的功能,只要定位位置精确就可以了,所以刚刚提到的那些缺点可谓是瑕不掩瑜。

       综上所述,约翰逊的电容触摸屏本应该大有作为,但“不幸”的是,就在不久之后,他的后来者开发出了更加灵敏、更加智能的触摸屏。于是,电容式触摸屏还没来得及吸引大众的关注,便被后者耀眼的光芒掩盖住了。

       最后,只有英国航空管理局向约翰逊伸出了橄榄枝——触摸屏指挥系统从1973年开始投入使用,一直工作到了90年代末。

 

1970年:电阻式触摸屏诞生

       大家刚刚说了一大堆电容式触摸屏的坏话,那后来者居上的是什么呢?答案就是电阻式触摸屏。与约翰逊精心研究出来的电容式触摸屏不同,它的诞生其实还是个意外呢!

       电阻式触摸屏的发明人是美国发明家塞缪尔·赫斯特博士(Dr. G. Samuel Hurst)。他最初得到电阻式触摸屏的灵感时,正带着他的博士学生们拼命做着物理实验。后来他的母校、伯利尔学院是这样描述那一个意外事件的:

       “……当时他们那个研究团队正在用范式加速器来研究原子物理。范式加速器是一种可以高速喷射出带电粒子的仪器,为了检测这些粒子,塞缪尔及帕克斯、斯图尔特等博士生需要整晚蹲守在荧光屏前,记录这些粒子击打屏幕后发出亮光的位置。

       这些冗长的记录工作非常浪费时间,于是塞缪尔想到了一个解决方法。他将一块导电板竖在加速器前以收集喷射出来的带电粒子,并利用导电板四周的电极记录粒子位置的坐标轴信息,这样就既高效又准确了,原本需要几天的工作如今只需要几小时就可以完成了。”

       
                                          塞缪尔和现代的触摸屏(网络图)

 

       塞缪尔工作的肯塔基大学很希翼他能将这个巧妙的设想作为专利申报,以防止被别人复制,但塞缪尔却犯难了:这个方法虽然巧妙,但它的应用范围实在是太小了,只局限于物理实验室内,完全够不上评选专利的标准。于是,塞缪尔开始思考能否将这个方法推广到别的用途上。

       1970年,当塞缪尔去到橡树岭国家实验室工作时,他开始利用下班的空闲时间研究这个事情。

       塞缪尔是一个擅长团队合作的人,他知道自己一个人可能完成不了这项任务,于是邀请了九位在其他领域各有造诣的好友一起参与到这个目标尚不明确的研究活动中来。在他家的地下室里,十位好友开始了研究,并将这个小团队叫做“Elographics”,意思是“电子制表(electronic graphnics)”。

       很快,他们就想到了触摸屏这个主意,并开发出了电阻式触摸屏:

       和约翰逊的电容式触摸屏一样,他们也用到了ITO这种金属涂层,不同的是,他们将这层金属涂在一张容易按压的薄膜之后,当用手指头或别的什么东西触碰它时,该位置的金属涂层就会接触到后面的导电板,带来电流的通行。导电板上铺设有纵横排列的坐标轴,它们可以记录通行电流的位置。

       值得注意的是,这时候,这个触摸屏其实说不上是“屏幕”,因为它根本就不显示东西。它的长相是一块白色的桌板,配备一块触摸用的塑料笔,看上去和今天的数绘板差不多(工作原理其实也是一样的)。

       

                                                 电阻式触摸屏(网络图)

 

       大家可以发现,塞缪尔的触摸屏原理和约翰逊大同小异,但它的优势在于,它不要求接触物一定要自带电流,一根木头、一只塑料棍均可(电容式触摸屏只能感应到自带电流的物体,比如手指头);同时,按压位置的电流大小与按压力度相关,当按压力度大的时候,导电板上多出来的电流就会变大,因此,它还能能够承受并记录不同力度的按压,这就比约翰逊的触摸屏灵活智能多了。

 

70年代:触摸屏的推广

       1971年,这十位伙伴申请了电阻式触摸屏的专利并合作创立了“电子制表(Elographnics)”企业,并开始利用下班时间及周末制造触摸屏。

       他们分工明确,是一个很好的手工作坊:有些人负责制造传感器,有些人负责计算器编程,有些人负责制造导电板,最终在塞缪尔的家里将这些部件手工装拼在一起。

       从5月到12月,这群科学家们加班加点制造出了25台成品触摸屏,并将它们命名为“E-100”。

       从一开始,这些科学家们就信心满满,因为他们知道触摸屏的用途会有多广:只要经过特殊的设计和编程,除了实验部门、研究机构外,工厂的质控及生产部门也都能用得上。

       1971年8月15日,他们以995美金的价格卖出了第一台触摸屏,顾客是麻省的科技研究所。1973年,“电子制表”企业荣获当年的“百大科技产品”称号,之后,生意就开始滚滚而来。

       

                    1973年,塞缪尔(左)作为企业代表领奖(网络图)

       随着触摸屏逐渐红火起来,“电子制表”企业拥有了专门的办公场地,开始改进并大量生产触摸屏,还开始雇佣专业的经理和营销人员,将研究以外的事务都交给了他们。

       企业的第一批雇员里,有一位名为泰德·威尔玛(Ted Wilmart)的销售代表更是舌灿莲花,他一下子就以8000美金一部的价格,卖了60部触摸屏给一家地毯企业,说服他们用触摸屏来测算地毯上污渍的大小。

       具体的操作方法很简单:将地毯放在触摸屏上,用塑料笔描绘沿着污渍的边缘描绘一次,计算器经过计算就可以得到污渍这个不规则图形的面积。

       这是1964年鼠标诞生之后最大的一次计算机输入技术突破,普通人也可以用简单的方法来操作电脑、处理数据了。

       

                                   正在使用的一台E-100触摸屏(网络图)

       感谢发明家们和推销员们不懈的努力,实用的触摸屏很快就被推广到更多的领域,随之而来的是人们对触摸屏技术升级的热烈渴望。

       1982年,有人在触摸屏背后多装了一个摄像头,用来探测触摸屏幕的手指头有多少个,经过更加复杂的数学计算,多点触控技术就横空出世了!

       1993年,IBM企业首次生产出了世界上第一台配备有触摸屏的电话——“IBM西蒙(IBM Simon)”,当然,它的长相在今日看来,实在是让人不敢恭维。然而,经过二十多年技术的迅猛发展,今天,大家已经熟悉了人手一台多点触控手机的生活。这在过去,可是连科幻作家都想象不到的事情呢!

       

       1993年第一部配备触摸屏的电话(网络图)

 

       触摸屏诞生以来的短短几十年,就颠覆了过去人类对未来的想象。未来,它会有怎么样的变化呢?目前科学家们的设想很容易概括:更大、更轻、更软。

或许有一天,大家能将触摸屏替换成可折叠的新材料,将它轻松地放进口袋;又或许,生物学家们能够先行一步,将触摸屏植入皮下,让大家以后更能“手随心动”;甚至有可能,触摸屏再次超越了大家的预想,进化出更加不可思议的功能,今天的大家,只能拭目以待了!

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