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风靡世界的触摸屏竟与高能物理有着如此渊源

中国物理学会期刊网 · 公众号 · 物理 · 2017-11-02 10:00

正文

■小溪/文

很多人都知道互联网与高能物理的渊源。那是20世纪80年代末，数个超大规模的高能物理实验正在欧洲核子研究中心(CERN)进行，参加实验的数百位科学家来自几十个国家。为便于开展工作，急需一种信息管理及传输系统，能快速、准确、方便、远距离地交换海量的数据信息。在CERN工作的英国人伯纳斯-李(Tim Bernes-Lee)想出了解决问题的办法，他用“超文本协议(用超链接方法，将不同地点的，由文字、图像、影视、声音等构成的信息有机地组织在一起)”先在CERN内部建立了互联网络(World Wide Web)。1991年起，这项互联网技术在国际上得到了广泛应用，至今全球使用互联网的至少已有35亿人(约占世界人口总数的一半)。

可很多人并不了解：另一项风靡世界的高技术——触摸屏，竟然也与高能物理有着历史的渊源。

近些年来，触摸屏几乎渗透了所有领域，几乎与每个人都息息相关：GPS定位系统、各类控制台、银行的ATM机、收款机、售货机、售票机、医疗监视器、游戏机、电脑、智能手机…几乎都用上了这项技术。

究竟它与高能物理有着怎样的渊源呢？让我们看看与此相关的故事吧。

几十年前，世界上最富想象力的科幻作家还都没想出触摸屏这种东西。更令人想不到的是：诞生于20世纪60、70年代的触摸屏技术，以令人吃惊的速度发展成为无处不在的日常科技，风靡了全世界。回顾一下它的发展历史，有些事情还真鲜为人知。

■约翰逊(E.A. Johnson)

通常认为，英国马尔文皇家雷达研究所的约翰逊(E.A. Johnson)是第一个提出触摸显示概念的人。1965年，约翰逊在《电子通报(Electronics Letters)》杂志上发表一篇简短论文，题为《触摸显示：一种新的电脑输入/输出设备(TouchDisplay-A novel input/output device for computers)》，文中提出一种作为输入/输出装置的触摸显示设想：用手指在一块复合玻璃屏(内表面涂覆氧化铟锡(ITO)类的透明金属氧化物层，四角有四个电极)上的触摸产生感应静电电容，通过电容变化的测量实现对玻璃屏触摸动作的计算(后来被称为电容式触摸屏)。

约翰逊(E.A. Johnson)(图片来自网络)

1967年，约翰逊将自己的设想变成了现实，制造出人类历史上第一块触摸屏。他在《人体工程学(Ergonomics)》杂志上发表了题为《触摸显示：编程人机界面(Touch Displays: A Programmed Man-Machine Interface)》的论文，并附上了第一块触摸屏的照片和原理图。约翰逊的发明在1969年被授予美国专利(US patent3482241)。

约翰逊1967年制作的第一块触摸屏(图片来自网络)

这种屏幕尽管有些笨重却能显示出魔术般的效果，手指点到哪里，屏幕就会在该处发出亮光，并记录手指的位置。当时，此发明只能给出一个手指触摸的位置，屏幕上如有多处接触，控制器的计算就会发生混乱，且屏幕只能记录有接触或者没有接触这两种感应信息，不能感知手指接触的力度。

1973年，这种触摸屏技术被英国航空管理局用于空中交通管制系统(该系统只需定位精确就可以)，经过持续改进，一直使用到20世纪90年代末。

■赫斯特(GeorgeSamuel Hurst)

媒体上大部分介绍触摸屏发展史的文章，在描述约翰逊1967年制作成功第一块电容式触摸屏之后，就直接跳到了美国的赫斯特(GeorgeSamuel Hurst)在几年后发明了更灵敏、智能的电阻式触摸屏。

当时，赫斯特在肯塔基大学教学，他带领一个团队使用一个仅可在夜晚工作的老旧的范德格拉夫静电加速器(利用静电原理产生高电压加速带电粒子的装置)研究原子物理。他们需要整夜守在荧光屏前，记录带电粒子击打屏幕后发出亮光的位置。

赫斯特深感这样的记录方式太浪费时间，既枯燥又繁琐。怎么办呢？一天，他忽然获得一个解决问题的灵感：将一块导电板竖在加速器前收集喷射出来的带电粒子，利用导电板四周的电极来读取确定粒子位置的X-Y坐标轴信息，既高效又准确。这种触摸式传感器能够快速地输入数据，原本需要几天才能完成的计算只要几个小时就可以完成了。只是，这种装置并没有透明的屏幕，且体积较大。

赫斯特(GeorgeSamuel Hurst)(图片来自网络)

赫斯特发明的触摸传感器(图片来自网络)

肯塔基大学希望赫斯特能为此申报一个专利，但他认为由于应用过于局限，还够不上申报专利的标准，他开始思考如何将这个方法推广到其它用途。

1970年，赫斯特来到美国橡树岭国家实验室(ORNL)工作，他邀请了几位来自不同专业领域的好友，利用业余时间在他家的地下室里一起研究此事。最初的想法是：如果能在电脑显示器上安装一个触摸屏，通过触摸来与电脑互动就好了。

他们用的是与约翰逊所发明的电容式触摸屏一样的氧化铟锡(ITO)这种金属涂层，但巧妙的是，他们将这层金属涂在一层容易按压的薄膜背面。当手指头或用塑料笔触碰薄膜时，该位置的金属涂层就会接触到其后面的导电板，从而引起电流的通行。导电板上铺设有纵横排列的坐标轴，可以准确记录通行电流的位置，还能分辨不同力度的按压。

1971年，他们申请了电阻式触摸屏的专利，合作创立了“电子制表(Elographics)”公司。几位成员分别负责传感器、导电板、计算器编程等，最后在赫斯特家的地下室里组装。当年的5月到12月，共制造出25台成品触摸屏，命名为“E-100”。1973年，这项技术被美国《工业研究》杂志评选为当年100项最重要的新技术产品之一。

正在使用中的E-100触摸屏(图片来自网络)

赫斯特(左)作为公司代表领取1973年新技术产品奖(图片来自网络)

1974年，赫斯特设计出第一款透明的电阻式触摸屏并继续完善相关技术。这个时期，该项技术主要被美国军方垄断。直到1982年，赫斯特的公司在美国一个电子展览会上展出了33台安装了电阻式触摸屏的电视机后，这种技术才真正进入商用。

■斯顿普(Bent Stumpe)&贝克(Frank Beck)

上述约翰逊、赫斯特对发明触摸屏的贡献都在触摸屏的发展史上留下了浓重的一笔，赫斯特甚至还被人称为触摸屏之父。而同样是在20世纪70年代初期，另一个关于触摸屏的故事却被不少人忽略了，有的资料中只简单地提到一句：“两位欧洲核子研究中心(CERN)的工程师发明了透明触摸屏”。

媒体上的触摸屏发展史忽略了一段重要内容(图片来自网络)

这里究竟有什么故事呢？经过一番搜寻，终于找到了可靠的资料：

CERN的刊物《CERN COURIER)》2010年3月31日刊登的文章《CERN的首个电容性触摸屏(The firstcapacitative touch screens at CERN)》，以及在CERN档案文件中的《CERN的另一项发明(Another ofCERN's Many Inventions)》中对此过程做了较详细的介绍。

《The firstcapacitative touch screens at CERN》(图片来自网络)

《Another ofCERN's Many Inventions》(图片来自网络)

1971年2月，CERN开始建设超级质子同步加速器(SPS)，加速器周长接近7公里，其规模大约是1959年开始运行的质子同步加速器(PS)的10倍。对SPS来说，如果采用与PS相同的控制方式，它的中央控制中心则要安装成千上万个各类按钮、旋钮、开关和示波器，而所有设备都通过单个电缆直接连接到中央控制中心，仅从经济上来说也完全不可行。

质子同步加速器PS与超级质子同步加速器SPS示意图(图片来自网络)

质子同步加速器PS的控制室(1974年)(图片来自网络)

按照设计，SPS的各类设备将通过三个控制台来控制，每个控制台都有自己的小型计算机。而新的中央控制中心应能集中三个控制台的信息，具有以少量旋钮、开关和显示器来控制加速器上万个参数的能力。1972年初，SPS控制组面临的首要任务之一，就是要找出实用而经济的方案来解决这个问题。

当时，贝克(Frank Beck)是SPS中央控制中心的主管，斯顿普是(Bent Stumpe)来自丹麦的工程师(他在电视机工厂工作过，有丰富的实际经验)。贝克向斯顿普提出了问题：怎样构建一个带智能系统的硬件，能取代三个控制台所有的传统按钮及开关？

贝克(Frank Beck)(左)(图片来自网络)

没过几天(1972年3月11日)，斯顿普提出了一个解决方案(手写在笔记本中)——研制一种电容式触摸屏作为SPS中央控制中心的交互式计算机显示器，在触摸屏上显示固定数量的可编程按钮。每个可编程按钮与屏膜玻璃上由蚀刻细铜线组成的电容器相关联。当人的手指触摸到玻璃屏幕上的某个可编程按钮，可使相应的电容增加10%容量，采用专门的电子设备记录这些变化，并带来一组新的标签，即下一组新的命令可以供使用者选择。

斯顿普方案的手写笔记稿(共16页)(图片来自网络)

这些可编程按钮加上一个跟踪球(通过球的滚动来识别X-Y运动，并相应地移动屏幕上的指针，与计算机鼠标的原理相同)，以及一个可编程旋转开关，可形成一个基于小型计算机的“智能”控制系统，用来取代传统控制系统需要的数千个按钮、开关和示波器(此时已开发出计算机支持的中央控制系统，这个想法才有可能实现)。

据斯顿普后来回忆，多亏CERN当时拥有离子溅射技术：可在一种灵敏而透明的聚酯薄膜上蒸发一层薄薄的铜，才能实现由蚀刻细铜线组成电容器的设想，从而生产出第一个电容式触摸屏的原型。一个具有9个可编程按钮的触摸屏可以真正地进行工作了，当用户触摸某个按钮时能被可靠地识别出来。贝克向SPS的领导们展示了这个原型，SPS管理层当即对斯顿普等人的进一步研发表示了支持，甚至在还没有进行可靠性测试之前，就决定开始进行相应的计算机控制软件研究，这在当时是具有很大风险的。

为了进一步开发实用的触摸屏(具有16个可编程按钮)，斯顿普等人与丹麦的FERROPERM公司合作，最终采用了更坚固的玻璃屏幕(减少了屏表面的反射)，而另一家丹麦的NESELCO公司参与了驱动触摸屏所需电子模块的生产。

最初，触摸屏仅有16个固定的可编程按钮，它们分别与屏幕的不同区域相关联。后来，斯顿普进一步拓展了自己最初的概念，设想研制一种X-Y触摸屏，通过两层电容器来分别感知与X和Y坐标对应的位置，这种方式更有优势，能更灵活地划分屏幕。X-Y触摸屏还涉及了在不同基层上镀金属膜的新技术。完成原型制作后，CERN与其它单位在丹麦国家发展基金的资助下合作进行产品的研发。

SPS于1976年6月开始运行，它的控制室配备了触摸屏——这是世界上第一个使用这种电容式触摸屏的大型装置。这类触摸屏还被用于其它大型装置以及规模更大的大型正负电子对撞机的现代化控制系统。神奇的是：有的触摸屏居然运行了20-30年，直到2008年CERN为规模更大的大型强子对撞机(LHC)安装了新的控制室。

具有16个可编程控制按钮的触摸屏(图片来自网络)

超级质子同步加速器SPS的控制室(1977年)(图片来自网络)

SPS控制室的电容式触摸屏(视频来自CERN官网)

斯顿普与他发明的触摸屏(图片来自网络)

这种触摸屏技术1977年就在商业上得到了应用，被出售给CERN的其他用户、其它研究机构，以及希望在自己控制系统中使用该项技术的公司。这种触摸屏的用户遍布世界各地：喷气式飞机上、英国卢瑟福实验室、日本高能加速器研究机构(KEK)、日本三菱公司、丰田公司、丹麦及德国的一些机构……

注：乔布斯(Steve Jobs)1997年重回苹果公司之后，最终下决心将电容式触摸屏技术(当时仍属尖端技术)用于苹果手机(iPhone)的研发。与当时市场上多见的电阻式触摸屏相比，电容式触摸屏更有优势。电阻触摸屏要靠手指或特制触摸笔的压力来激活，最上层的薄膜要足够薄才能满足受到触摸时能向下接触到下层薄膜的弹性要求，薄膜容易受损伤。而电容式触摸屏只需触摸，不需用触摸压力来产生信号，且有玻璃层保护，抗损伤、抗污染能力十分强。此时的电容式触摸屏技术已从早期的模拟触摸屏发展成为数字触摸屏，可实现多点触控，这给研制智能手机软件提供了新的空间。乔布斯不仅成功地将濒临破产的公司改造成世界消费电子行业的巨头，也让触摸屏真正进入了大众的日常生活。

■结语

随着技术的不断发展，触摸屏越来越容易接受触摸并能接受手势，实现了超高效的人机交互，在越来越多的领域有了更广泛的使用。时至今日，触摸屏技术几乎渗透了所有领域，几乎与每个人都息息相关：GPS定位系统、各类控制台、银行的ATM机、收款机、售货机、售票机、医疗监视器、游戏机、电脑、智能手机…几乎都用上了这项技术。