織布機的進化戰爭,計算機的關鍵突破│《電腦簡史》 齒輪時代(十九)

2 weeks ago 24
ARTICLE AD

上一篇提到巴貝奇放棄差分機,轉而投入分析機的設計,意欲打造什麼都能算的通用型計算機。分析機必須採用全新架構,巴貝奇受困許久,沒想到最後讓他突破盲點的靈感,竟是來自於看似毫無關聯的織布機……。

本文為系列文章,上一篇請見:兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機?巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代(十八)

紡織業落後英國,沃康松臨危受命

還記得發明「便便機器鴨」的沃康松嗎?他結束吹笛人、鼓手與機器鴨等機械玩偶的展演後,本來要更進一步,打造具有肌肉運動、呼吸、血液循環的機械生物,不料突然於 1741 年接到一項官方任務,而不得不擱置這個計畫。(前情提要:如果上帝就像鐘錶匠,當然我們也能?│《電腦簡史》 齒輪時代(十二))

原來法國政府發現英國紡織業這幾年突發猛進,背後的助力就是英國發明家約翰.凱 (John Kay) 於 1733 年發明的飛梭。以往織布機至少要有兩人操作:一個工人提起縱向的經紗,然後將梭子推向另一端,帶著橫向的緯紗穿過經紗,然後另一端的工人待另一組經紗又提起後,再將梭子推回來,如此不斷往返。

有了飛梭之後,一部織布機只需要一個工人操作,而且速度快上好幾倍,還能織出更寬更大的布。因此英國的紡織業無論是成本、產量或樣式,都遙遙領先其它各國,一躍為歐洲的領頭羊。法國政府不甘落後,於是找上沃康松,冀望他運用設計自動機器的長才,也能改善法國的織布機,好迎頭趕上英國。

前人已曾改善織布機,靈感來自滾筒風琴

其實早在沃康松之前,法國就曾有兩位紡織工人試圖改造織布機,時間比約翰.凱發明飛梭還早;不過他們針對的是提花布的編織。織布機織的布有兩種,一種是沒有圖案的素面布,另一種是有圖案的提花布。製造素面布比較簡單,每次提起的經紗相當固定,例如這次是奇數線,下次則是偶數線,如此不斷輪流。但提花布就相當麻煩,每次要提起的經紗組合都不一樣,非常耗時費工。紡織工人布雄 (Basile Bouchon) 想改善的,便是製造緹花布的方法。

其實布雄找到的解決方案已經存在很久了,只不過它一直隱藏在與紡織業毫無關聯的一樣東西──滾筒風琴 (barrel organ) 。

滾筒風琴的內部結構。圖/wikipedia

滾筒風琴通常用於街頭表演,只要轉動搖柄,就會自動奏出樂曲。事實上,滾筒風琴的原理與音樂盒類似,旋律變化都是取決於圓筒表面參差不齊的突起。差別在於音樂盒是直接撥動鋼製簧片發出聲音,滾筒風琴則是間接造成不同音管阻塞,由風箱產生氣流通過音管而發出聲音。就這點而言,滾筒風琴反而更接近穆薩三兄弟於 850 年設計的吹笛手。

布雄的父親原本就是製作滾筒風琴的工匠,布雄從小耳濡目染,對滾筒風琴的構造瞭若指掌。因此當他踏入紡織業後,觀察到織布機的經紗起起落落,編織出規律的幾何圖案,便聯想到這其實與滾筒風琴有異曲同工之妙。規律的圖案相當於不斷重覆的樂曲,經紗相當於音管;既然可以藉由轉動圓筒而奏出樂曲,那麼同樣的原理應該也能用於織布機,控制經紗起落而織出圖案。

用紙卷控制經線,織出不同的圖樣

布雄很清楚滾筒風琴的圓筒如何製作:先按照樂譜上的音符在紙上畫好記號,接著將紙裹住圓筒表面,然後在記號處──釘上鐵釘,再取下紙張即大功告成。不過布雄並沒有依樣畫葫蘆,打造另一個用於織布機的圓筒。這是他的另一個洞見:打了孔的紙已經包含如何控制音管的資訊,做成圓筒只是沿襲自音樂盒的作法,並非絕對必要。也許織布機無需圓筒,用打孔的紙張就能控制經線起落?

布雄所設計用打孔紙帶控制的織布機。圖/wikipedia

1725 年,布雄公開展示他的發明:在現有織布機上外加一個編織控制裝置。這個裝置有條寬寬長長、打了許多洞的紙帶,首尾相連成環,再用兩根圓筒狀的軸桿上下撐開,就像輸送帶或跑步機那樣,只不過紙帶是直立的,而且要靠手拉動。

以往要靠人工挑選要提起的經紗,現在只要把上方軸桿推向前去頂整排勾針。由於軸桿表面是鏤空的,所以哪些勾針會被頂到而移動,取決於對應到紙帶的位置是否有洞。沒有洞,紙帶才會推動勾針提起經紗;如果有洞,勾針就會穿過洞而文風不動。等梭子穿過經紗後,再將紙帶拉下一點,再次推軸桿去頂勾針,如此不斷地拉紙帶、推軸桿。由於洞的分布位置都不相同,所以每次會提起不同的經紗,而織出特定圖案。

這是史上第一台半自動織布機,也堪稱第一台可編程的工業機器,因為只要更換不同紙帶,就能織出不同圖樣。可惜布雄的劃時代發明並未獲得青睞,因為它仍有許多缺陷,例如紙張很容易破裂,用沒多久就要整卷更換;紙的強度不足也限制了紙帶寬度,只能織出窄福的提花布;此外,紙帶長度受限於織布機的高度,圖案很快就又重覆,太過單調呆板。

紙卷太短又容易破,何不改用串接的卡片?

三年後,布雄的助理法爾肯 (Jean-Baptiste Falcon) 克服了這幾個缺陷。他把上方的軸桿改成方形,並且改用一片一片串起來的厚紙板取代紙帶,如此一來,就不需要下方軸桿,卡片串接的長度便不受限制,可以織出更複雜的圖案。厚紙板也可以做成更寬,就能織出更寬的提花布。此外,厚紙板較不易破損,就算破損,也只需要更換壞掉的卡片,不用像紙帶那樣要整卷換新。

不過即使解決了這幾個問題,紡織廠仍然不願意花錢改裝織布機,因為方形軸桿仍得靠人工轉動,還要對齊打洞的位置,織布速度沒快多少,也未減少人力,投資效益並不高。法國紡織業的自動化腳步就此打住,直到十多年後,沃康松奉命提升法國織布技術,布雄與法爾肯的發明才又被挖出來。

沃康松以布雄的設計為基礎,但將紙帶改為裹住一個金屬大圓筒,運用自動機器的原理做出連動機制,讓圓筒轉動與推壓勾針的動作一氣呵成,持續不斷地自動織出圖案。沃康松果真不負法國政府所托,於 1745 年展示史上第一架全自動織布機。不過紡織工人可不高興,他們深恐因此失業,群起抗議;有些工人怪罪到沃康松頭上,還朝他丟石頭。織布機自動化的計畫再次受挫,沃康松也不如歸去,重拾他的擬人機器人計畫。

其實紡織工人無須太過驚慌,因為沃康松改良布雄的設計後,雖然可以減少人力、提高效率,但所織的布仍然無法太寬、圖案不能太複雜,所以還是沒有幾家工廠願意購置。為什麼沃康松要延用紙帶,而不是選擇法爾肯所設計的卡片?這的確令人費解。打孔卡片直到半個世紀後,才被另一位法國發明家雅卡爾 (Joseph Marie Jacquard) 重新發掘,他成功地結合前人的設計,打造出可編程的全自動織布機。

雅卡爾統合成功建織布機,巴貝奇承襲設計造分析機

雅卡爾於 1752 年出生於法國的紡織重鎮里昂 (Lyon) ,這裡正是當初布雄與法爾肯工作的地方。雅卡爾的父親也是紡織工匠,有自己的工坊;雅卡爾從小就要幫忙打雜,直到十三歲才在姊夫的指導下識字念書。二十歲時父親過世,雅卡爾繼承了紡織工坊,然而才十年時間,他就敗光家產,只能離鄉背井四處打工謀生,直到 1789 年才回到家鄉,重返熟悉的紡織業。

歷經法國大革命的十年動盪後,雅卡爾自 1800 年開始,陸續發表各種自動化的紡織設備,包括用腳踩踏的織布機、魚網編織機。1803 年,拿破崙特地召見雅卡爾,讓他住進巴黎的工藝學院,任意使用裡面的設施,進一步研究如何改善織布機。雅卡爾仔細研究工藝學院收藏的布雄、法爾肯、沃康松等人的設計,最後他決定將沃康松所用的大圓筒與紙帶換成打孔的卡片,利用棘輪控制卡片轉動,果然成功打造出真正實用的全自動織布機。

雅卡爾織布機的控制裝置。圖/wikipedia

雅卡爾織布機 (Jacquard loom) 其實是個控制裝置,可以加裝在現有的織布機上。原本兩個工人一天才能合力織出 3 公分的提花布,改裝後只需要一個工人,一天就能織到 60 公分長,而且布寬與圖案都不受限制。雅卡爾織布機自 1805 年發表,到 1811 年專利期滿為止,共出貨了一萬一千台,大幅提升法國紡織業的競爭力。

雅卡爾不僅改變了紡織業,也間接促進了計算機的進展。打孔卡片的可編程功能在他手中發揚光大,遠在英國的巴貝奇正是受此啟發,才能設計出史上第一台通用計算機。

你能在喪屍末日存活嗎?絕沒想過的求生指南!

《可能性調查署2》上線囉!接下來每周都會有新影片,快去按讚訂閱開啟小鈴鐺!

《AI 寶比機器人一代&二代》獨家套組64折!

The post 織布機的進化戰爭,計算機的關鍵突破│《電腦簡史》 齒輪時代(十九) appeared first on PanSci 泛科學.

Read Entire Article