改變歷史的50種機器

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鄭國威／《PanSci泛科學》總編輯
顏鴻森／國立成功大學機械工程學系教授 兼副校長
（依姓氏筆劃排列）

01
甲卡提花織機 Jacquard Loom
製造者：約瑟夫‧馬利‧甲卡
在工業革命以前，紡織是極其需要勞工的工序──奢華的絲錦緞（silk brocade）尤是如此，絲錦緞皆是由工匠組成的基爾特（guild，譯注：盛行於歐洲中世紀的職業團體，功能類似同業公會）所生產，他們擁有自己的織布機，且負責操作。雖然這不是法國第一次試圖將絲絨紡織自動化，但是，甲卡提花織機是首次在商
業上獲得成功的產品。

皇帝的發明家
進入改變歷史之50 種機器的旅程，甲卡提花織機是很好的開始，因為，本書提到的多數裝置，皆不是單憑一個人得到靈感所發明的產物，而是由更久以前的裝置──腳踏式織布機──經過進化而成，也就是基於並加入前人改良的產物。約瑟夫‧馬利‧甲卡（1752-1834）屬於查理（Charles）家族的支系，該支系的暱稱即為甲卡。約瑟夫‧甲卡想將絲綢紡織耗費人力的過程自動化，除了藉此消除人為疏失之外，也希望能讓童工重獲自由，當時，童工經常做為傳統雙人手工提花織機（draw loom）中的「提紗童」（draw boy）。對第一個目標，他獲得未來的法國皇帝拿破崙一世（1769-1821）贊助與鼓勵，因為拿破崙想要挑戰獨霸紡織業的英國。
甲卡的故鄉是法國絲綢業重鎮里昂（Lyon），他同時也是絲織家族的後裔，並且身處法國工業革命甫露曙光的時期。他的發明簡直是天時地利人和兼備，甲卡首次嘗試的作品曾於1801 年陳列於巴黎的工業展覽會上，不過，直到看到雅克‧ 沃康松（Jacques Vaucanson, 1709-1782）於超過半世紀以前的織布機之後，他才得以使作品趨於完善，沃康松織布機採用的是粗糙的穿孔卡（punched card）。此時，已身為法國皇帝的拿破崙在1805 年審查了甲卡的最後成品，並授予甲卡終生補助金。到了1812 年， 也就是拿破崙於侵俄戰役中失利的那一年，整個法國已有11,000 部甲卡提花織機，儘管期間不斷受到織工激烈反抗，因為他們擔心該機器會影響自身生計。雖然甲卡實現了將絲織自動化帶進工業生產的夢想，卻無法改善提紗童的命運，提紗童不再為絲織產業所需之後，被迫到製造廠和工廠尋找危險性更高的工作。

02
羅伯茲車床 Roberts’ Lathe
製造者：李察‧羅伯茲
李察‧ 羅伯茲本身就是一位天賦異稟的發明家，羅伯茲自動走錠精紡機（self-acting mule）、羅伯茲織布機（參見第20 頁），以及史上第一個瓦斯表，皆出自他的發明，然而，真正開啟他職業生涯的是工具機（machine tool）的設計與改良：其中，尤以本單元論述的鉋製機器──羅伯茲車床──最為重要。

螺旋推進
若要列出一張十九世紀最重要的機器列表，我們可能會想到蒸汽機、火車和動力織布機（power loom）， 不過， 少了工具機，上述機器一部也做不出來，工具機不只加速工作和節省勞工與成本，還能夠在生產標準化組件時確保精度更加準確。在十九世紀以前，對木頭和金屬的鉋削（planing）和銑切（milling）等操作，皆是用從中世紀以來就沒有太大改變的簡陋工具組完成。受到工業時代（Industrial Age）需求的驅使，英國的發明家研發出一系列的高精密度工具機。其中，天賦最高且最多產的發明家就是李察‧羅伯茲（1789-1864），他被當代形容成「真正的現代機械機動學先驅之一」。
車床能夠固定木頭或金屬工件，並使其能在旋轉的狀態下切割、磨光、鑽孔或塑型。木頭桌腳和金屬凸輪軸（camshaft）皆是運用車床製作的典型單品。羅伯茲於1817 年設計的車床，能夠以大幅高出傳統方法的精密度生產金屬組件。羅伯茲的重型車床長度達1.8 公尺，而且完全以鑄鐵打造，藉此在處理沉重的金屬組件時仍能保持精確度。羅伯茲車床的結構包含：附有螺旋推進刀具溜座的床台，用以裝載刀架（toolpost）；用以固定工件的主軸台（head stock）和尾座（tail stock）； 皮帶輪（pulley），用以讓外部動力來源能透過皮帶傳導動力（於此車床中，是由羅伯茲太太負責於地窖轉動輪盤來驅動）；以及一個用於控制工作速度的背齒輪（back gear）。儘管羅伯茲車床不如下一單元的「史蒂文生火箭號」那麼令人讚嘆，但是，它在工程史和工業史中所扮演的角色或許更為重要，因
為，羅伯茲車床所提供的標準化組件讓大量生產成為可能。

03
史蒂文生「火箭號」蒸氣火車頭 Stephenson’s “Rocket”
製造者：羅伯特‧史蒂文生公司（Robert Stephenson & Co.）
史蒂文生的火箭號並非第一部火車頭，但是無疑是最具代表性的早期蒸汽機。它是雨山試車選拔賽（Rainhill Trials, 1829）中全面獲勝的大贏家，贏得這個比賽即可負責拖運利物浦— 曼徹斯特鐵道（Liverpool to Manchester Railway）的車廂，該鐵路同時也是英國第一條用於載運貨物和乘客的城際鐵路。利物浦— 曼徹斯特鐵道於1830 年開通，相較於1825 年開通的世界上第一條公共鐵路斯托克頓— 達靈頓鐵道（Stockton and Darlington Railway）晚了五年。

史蒂文生的試車與勝利
1829 年10 月見證了早期鐵路年代中最重要的事件之一：雨山試車選拔賽。這場比賽的獎品是一紙製造火車頭的合約，用以在英國首條城際鐵路利物浦— 曼徹斯特鐵道（L&MR）上載運乘客和貨物。若以噴射客機時代比喻，這場比賽就好比是波音（Boeing）747-40 和空中巴士（Airbus）A380 爭奪倫敦— 紐約航線的競賽。此試車比賽的舉辦地點是雨山村莊附近的鐵道區段，位於利物浦港口東方15 公里處，該區是英國第一次工業革命時期嶄露頭角的大都心之一。
10 月7 日至14 日舉辦的雨山試車選拔賽受到萬眾矚目，不僅重要權貴到場，現場還有無數觀光客及全國新聞媒體代表。除了得到500 英鎊的獎金，獲勝的火車頭贏得的不只是新鐵路合約，還包括遍及國內與海外的聲譽，接下來幾年也無疑會收到更多利潤豐厚的合約。參賽者共有五名，除了一部技術倒退至更早期、靠馬匹拉動的Cycloped（百科號），主要參賽者包括由喬治‧史蒂文生（George Stephenson, 1781-1848） 與其子羅伯特（1803-1859）設計的「火箭號」， 以及「無敵號」（Sans Pareil）和「創新號」（Novelty）。比賽規則載明引擎的最大重量限制和主要設計項目，試車時，需在有承載和無承載的情況下，分別持續運行56公里，以確定引擎的平均速度和耗燃料量。
其中，無敵號差點在一開始就因為超重而失去比賽資格，不過，它的表現完全不輸火箭號，直到其中一個汽缸斷裂而被迫退賽。真正威脅來自創新號，其在車廂滿載的情況下，時速高達51.5公里，讓大眾為之驚豔。然而，它同樣因為技術問題而必須退賽。火箭號是唯一完成試車的火車頭，其裝載量為引擎的三倍重時，平均時速為20 公里；乘載單一車廂與旅客時，則為時速38.5 公里。

無師自通的工程師
有「鐵道之父」之稱的喬治‧ 史蒂文生，所處年代沒有任何教授科學和機械工程的技術學校、理工學校或大學。他身為礦工之子，出生在最貧困的環境，從小就必須開始工作，所受到的正式教育不多。14 歲時，他找到一份在礦車軌道擔任煞車手（brakesman）的工作，之後又在煤礦場中擔任引擎的司爐（stoker）。主要透過自學，他開始修理其照料的引擎。他於1803 年結婚，並成為羅伯特的父親，羅伯特是他的獨子，也是未來的生意夥伴。1816 年，史蒂文生展現技能，建造了他的首座引擎「布呂歇爾號」（Blücher）（一位普魯士將軍的名號，該將軍於前一年幫助威靈頓公爵﹝Duke of Wellington, 1769-1852﹞在滑鐵盧戰役擊敗拿破崙），如同當時多數的火車頭，布呂歇爾號同樣是用於在礦場載運媒礦。
在建造火車頭之後，史蒂文生開始挑戰設計整條鐵路──當時只有幾哩長──包括橋和隧道，以及用鑄鐵做為材料的新軌道，鑄鐵軌道取代了早期的木造軌道，木造軌道已經無法再承受日益增重的引擎重量。史蒂文生在規劃並建造長達42 公里的斯托克頓— 達靈頓鐵道（S&DR）之後享譽全國，該鐵道於1825 年開通，是全世界第一條載運付費乘客和貨物的鐵路。史蒂文生為S&DR打造了許多座引擎，「行動號」（Locomotion）也是其中之一。首航之日，行動號以時速16 —19 公里載運600名乘客，現今或許會視該速度為蝸速，但是，對當時必須憑藉雙腳或比火車更慢、更顛簸的公共馬車（stagecoach）旅行的民眾而言，實在令人驚嘆，火車的年代就此展開。

首次鐵路乘客死亡事故
史蒂文生的勝利讓他聲名遠播，成為領先全球的火車頭製造商。然而，L&MR
差一點就無法如願建造。1825 年，喬治‧史蒂文生將該路線的調查工作交給某個員工，其兒子羅伯特剛好遠赴南非，整個計畫幾乎被國會駁回，因為調查結果顯示有誤。不僅如此，鐵路本身也面臨地主和競爭對手的激烈抗議，前者不希望鐵路通過自己的土地，而後者（運河等）在鐵路出現以前，一直都是他們在負責運載沉重的貨物。史蒂文生因而遭到解雇，不過很快地在一年後得以復職。1830 年， 全長56公里的路線終於完成，創下許多世界第一：第一條位於市區地下的隧道、開鑿達21 公尺深的山路、多達64 座橋梁和高架橋（viduct），而且有長達7.5公里的區段是「浮」在查特沼澤（Chat Moss）上。
此路線的首航當日吸引了許多重要權貴前往，首相威靈頓公爵也是其中之一。在活動的某次中場休息時，國會議員威廉‧ 赫斯基森（William Huskisson, 1770-
1830）從火車上下來，並沿著鐵軌走向公爵，想和公爵交談，很不幸地，他沒注意到火箭號正在另一條朝向他的鐵道加速行駛，他一時驚慌而跌落軌道，火車頭因此輾過他的腿，儘管立即被火車送去救治，但是仍在幾個小時後因傷勢過重而不治身亡，成為首位經由火車運送的傷患，同時也是因鐵路事故致死的首位乘客。

04
羅伯茲織布機 Roberts’ Loom
製造者：夏普—羅伯茲公司（Sharp, Roberts, and Co.）
雖然最早的動力織布機建造於1785 年，但是直到羅伯特在近半世紀後創造出自己的織布機，在英國，動力織布機才真正對手搖織布機（handloom）的布料生產構成威脅。如同我們從他的工具機看到的，羅伯茲織布機同樣堅實、具有高精密度，而且是以標準零件製成，因此能夠大量生產。

紡織先驅與逃兵者
我們第一次認識李察‧羅伯茲這位天賦異稟的工程師和發明家，是在介紹他其中一個高精密工具機──羅伯茲車床（第12頁）──的時候。在為紡織產業設計和建造機械時，羅伯茲展現了同樣的獨創性，以及對正確度和高精密性的注重，因此，他的機器不會是個別打造的一次性作品，而是採用標準零件且能大量製造的產品。除了動力織布機，羅伯茲還利用他在1825 年發明的革命性自動走錠精紡機將紡紗機械化。同時，此發明也有助於將布料生產從需要憑藉技能的手工藝，轉型成機械化的工業製程。他的鑄鐵製織布機堅固又耐用，受到許多蘭開夏（Lancashire）紡織廠的大量採用。之後又過了十二年，隨著「蘭開夏織布機」（Lancashire loom）的問市，紡織正式開始全自動化，蘭開夏織布機即運用了許多羅伯茲的創新設計。
就和許多與他同時代的人一樣，羅伯茲的家境並不優渥，僅受過最基本的正式教育。他是鞋匠之子，出生於威爾斯和英格蘭交界處的拉納馬內赫村（Llanymynech）。在接受堂區神父（parish priest）的基本教育後，就在運河找到一份工作，接著又到石灰岩採石場做工。二十幾歲時，羅伯茲先是在鐵工廠當模型技工（pattern maker），之後升為領班。為了避免被徵召入國民軍及送往對抗拿破崙的戰場，羅伯茲前往曼徹斯特，並找到第一份關於車床加工和工具製造的工作。然而，他仍因逃兵而被追捕，所以決定徒步至倫敦。在那裡， 他成功受雇於亨利‧莫茲利（Henry Maudslay, 1771-1831），莫茲利是英國工具機產業的先驅之一，其工廠訓練出很多該世代最天賦異稟的工程師。在戰爭於1815 年結束後，羅伯茲回到曼徹斯特，並成立了自己的公司。儘管在機械和工程技能上如此出眾，羅伯茲卻不是生意人的料。不同於同期的約瑟夫‧惠特沃茲（Joseph Whitworth，請見下一單元），羅伯茲雖然也有多項專利和成功發明，最終仍然死於貧窮。

05
惠特沃茲龍門鉋床 Whitworth Planing Machine
製造者：約瑟夫‧惠特沃茲公司
如同其他同時期的人和共事過的李察‧羅伯茲，約瑟夫‧惠特沃茲也是以製造高精密工具機起家，包含螺絲釘切割車床，以及本單元講到的惠特沃茲龍門鉋床。惠特沃茲的眾多成就使他名留青史，其中包括最早的英國羅紋標準。

坦蕩如砥
早期的工具機產業中共有兩部機器稱霸整個產業：車床，亦即我們之前提到過的，以及由約瑟夫‧惠特沃茲（1803-1887）設計的龍門鉋床。木工手刨工具從遠古以前就已存在，不過，追求金屬的完美平面是件更加吃力不討好的工作。平整的金屬平面可以透過多種方法實現，但品質完全仰賴工匠的手藝。然而，即使是最敏銳的雙眼和最細膩的調整，這些技術仍無法達到大量生產所需的精確度和統一規格，再加上手工需要大量的人力和時間，達到平整金屬平面的物體只會是極其昂貴的單一成品。
龍門鉋床的確切歷史已不可考，關於其發明和改良的記載版本各種不同。早期的設計中，工件是在桌面上移動，上方有個懸吊式刀具。該桌子會呈直線地前後移動，以讓刀具移除某個區塊的金屬表面，接著，將刀具往橫向移動，繼續鉋除下一個區塊，各區塊之間接有所重疊，以形成完全等高的平面。龍門鉋床用於製造機械用零件，涵蓋的機械種類非常廣，包括蒸汽機、火車頭和紡織機等。儘管惠特沃茲並非第一位設計龍門鉋床的人，其具有動力裝置的龍門鉋床卻是公認最卓越的設計之一，比之前的機型和競爭機型都更加精準，操作起來也比較容易。
不同於死於貧窮的李察‧羅伯茲，惠特沃茲成功使其工具機的業務蓬勃發
展， 且朝多樣化經營，觸角深入軍用武器，他為英國軍方製造用於克里米亞戰爭（Crimean War, 1853-1856）的武器。惠特沃茲累積了可觀的財富，他將部分財富用於發展技術教育，贊助新創立的曼徹斯特技術學院（Manchester Mechanics' Institute，即後來的曼徹斯特理工大學UMIST，並且創辦曼徹斯特設計學校（Manchester School of Design）。

01
甲卡提花織機 Jacquard Loom
製造者：約瑟夫‧馬利‧甲卡
在工業革命以前，紡織是極其需要勞工的工序──奢華的絲錦緞（silk brocade）尤是如此，絲錦緞皆是由工匠組成的基爾特（guild，譯注：盛行於歐洲中世紀的職業團體，功能類似同業公會）所生產，他們擁有自己的織布機，且負責操作。雖然這不是法國第一次試圖將絲絨紡織自動化，但是，甲卡提花織機是首次在商
業上獲得成功的產品。

皇帝的發明家
進入改變歷史之50 種機器的旅程，甲卡提花織機是很好的開始，因為，本書提到的多數裝置，皆不是單憑一個人得到靈感所發明的產物...

前言
人類和機器之間的關係一直十分複雜，而且經常互相矛盾。每項新科技的發展，總會造成社會、政治、經濟和自然環境出現預料之外的轉變，有時甚至會在幾年之內結束原本已經持續數世紀的生活。人類或許偏好將機器視為他們的僕人，但是，透過本書對過去兩個世紀指標性機器的研究，我們應該可以發現，它們往往才是真正的主宰者，它們摧毀了人類原本的生活、生計和生活方式，並且賦予其新的生命。

巧人
巧人（Homo habilis，西元前2300萬至前1400萬年）屬於人科人屬中的一個種，他們是人類繁茂系譜中主要的一個分支，優秀的石造工具製造與使用能力，讓他們與前人區隔開來，並贏得「巧人」的美名，也將人類帶上康莊大道，迎向擁有蒸汽火車、吸塵器、電腦和哈伯太空望遠鏡的未來。本研究針對改變歷史的象徵性機器，並未追溯到手斧（hand ax）或輪子的發明，而是從1801年首次成功將紡織自動化開始探討起，在那之前，紡織原本是由具專業技術的工匠一手包攬。之後，機器不斷一往無前地進化，使人類生活和文化的各個層面更加美好，不過，對當時身處演進過程的人而言，或許是讓一切變得更糟。業革命（1760-1860）期間，機器徹底改革了工具製造（羅伯茲車床，第12頁；惠特沃茲龍門鉋床，第24頁），以及消費性產品的生產，特別是紡織品（甲卡提花織機，第8頁；羅伯茲織布機，第20頁； 考利斯蒸汽機， 第26頁）及運輸工具，前者的生產因而機械化並自動化，以無專業技術的工廠勞工取代具專業技術的工匠，後者則開啟了蒸汽火車和汽船的發展（火箭號，第14頁；大東方號，第38頁）。第二次工業革命（1860-1914）提供了新的能量來源：電能（格拉姆電動機，第44頁；帕森斯蒸汽渦輪發動機，第52頁；西屋交流電系統，第58頁），並且在科技進入辦公室（萊諾排鑄機，第46頁；安德伍德一號打字機，第84頁；通司朗燈泡，第94頁；自動電氣燭台式電話機，第98頁）和住家（勝家「龜甲」縫紉機，第36頁；胡佛吸入式清掃器，第110頁）之後，見證社會更巨幅的轉變，同時改革了運輸工具（路華腳踏車，第54頁；柴油引擎，第78頁；福特T型車，第104頁），以及大眾娛樂（貝林納「Gramophone 留聲機」；第60頁；盧米埃「活動電影機」，第66頁；馬可尼無線電設備，第72頁）。

現代世界的製造業
在經常被稱作「後工業」社會的現代社會裡── 我一直認為這個名稱很奇怪，因為製造業和科技仍然是所有人類社會不可或缺的基礎── 機器使人類能夠自重複性最高的工作中脫身，無論是在工廠（「尤尼梅特」工業機器人，第170頁）、住家（奇異直立式洗衣機，第146頁；維克塔割草機，第160頁）或辦公室（IBM PC 5150 ，第200頁）；並在人類因而增加的閒暇時間裡提供新的消遣（貝爾德「收影機」，第130頁；安派克斯磁帶錄音機，第150頁；HR-3300EK錄影機，第184頁；雅達利2600 ，第188頁；索尼「Walkman」，第192頁），同時提供新的通訊方式（海斯Smartmodem數據機，第206頁；摩托羅拉「StarTAC」行動電話，第214頁）、新的能源產生方式（鎂諾克斯合金核子反應爐，第164頁；維斯塔斯風力發電機，第196頁），以及新的旅行方式（LZ 127齊柏林伯爵號，第126頁；哈維蘭彗星型客機，第154頁）。最後而且同樣重要的，機器還讓人類得以用祖先從未想像過的方法來研究和探索天地萬物（西門子電子顯微鏡，第138頁；EMI 電腦斷層掃瞄器，第180頁；農神5號火箭，第174頁；哈伯太空望遠鏡，第210頁）。

工具是人類雙手的延伸，機器只不過是複雜的工具。而發明機器的人，
不只增進了個人能力，還提升了全人類的福祉。
── 亨利‧瓦德‧畢奇爾（Henry Ward Beecher, 1813-1887）

這些機械皆禍源，
同業皆命它該死，
盧德威猛抵千軍，
賜死之手當無愧。
── 民謠《盧德將軍慶凱旋》（General Ludd’s Triumph，約1812年）

前言
人類和機器之間的關係一直十分複雜，而且經常互相矛盾。每項新科技的發展，總會造成社會、政治、經濟和自然環境出現預料之外的轉變，有時甚至會在幾年之內結束原本已經持續數世紀的生活。人類或許偏好將機器視為他們的僕人，但是，透過本書對過去兩個世紀指標性機器的研究，我們應該可以發現，它們往往才是真正的主宰者，它們摧毀了人類原本的生活、生計和生活方式，並且賦予其新的生命。

巧人
巧人（Homo habilis，西元前2300萬至前1400萬年）屬於人科人屬中的一個種，他們是人類繁茂系譜中主要的一個分支，優秀的石造工具製造...

前言

01 提花梭織機
02 羅伯茲車床
03 史蒂文生火箭號 蒸汽火車頭
04 羅伯茲織布機
05 惠特沃茲龍門鉋床
06 考利斯蒸汽機
07 巴貝奇差分機
08 勝家龜甲縫紉機
09 大東方號汽輪
10 海厄特填充機
11 格拉姆電動機
12 萊諾排鑄機
13 帕森斯蒸汽渦輪發動機
14 路華安全腳踏車
15 西屋交流電系統
16 貝林納Gramophone留聲機
17 盧米埃活動電影機
18 馬可尼無線電設備
19 柴油引擎
20 安德伍德一號打字機
21 柯達布朗尼相機
22 通司朗燈泡
23 自動電氣燭檯式電話機
24 福特T型車
25 胡佛吸入式清掃器
26 霍爾特履帶式聯合收穫機
27 百得電鑽
28 奇異公司Monitor Top冰箱
29 LZ 127齊柏林伯爵號飛船
30 貝爾德收影機
31 飛哥約克酷浪冷氣機
32 西門子電子顯微鏡
33 中央工程V-2火箭
34 奇異直立式自動洗衣機
35 安派克斯型號200A磁帶錄音機
36 哈維蘭DH106彗星型客機
37 維克塔洛托馬風扇割草機
38 鎂諾克斯合金核子反應爐
39 尤尼梅特1900工業機器人
40 農神五號火箭
41 EMI電腦斷層掃瞄器
42 JVC HR-3300EK錄影機
43 雅達利2600遊戲機
44 索尼TPS-L2隨身聽
45 維斯塔斯HVK 10風力發電機
46 IBM PC 5150電腦
47 海斯Smartmodem 300數據機
48 ABI 3017A 基因定序儀
49 哈伯太空望遠鏡
50 摩托羅拉StarTAC行動電話

前言

01 提花梭織機
02 羅伯茲車床
03 史蒂文生火箭號 蒸汽火車頭
04 羅伯茲織布機
05 惠特沃茲龍門鉋床
06 考利斯蒸汽機
07 巴貝奇差分機
08 勝家龜甲縫紉機
09 大東方號汽輪
10 海厄特填充機
11 格拉姆電動機
12 萊諾排鑄機
13 帕森斯蒸汽渦輪發動機
14 路華安全腳踏車
15 西屋交流電系統
16 貝林納Gramophone留聲機
17 盧米埃活動電影機
18 馬可尼無線電設備
19 柴油引擎
20 安德伍德一號打字機
21 柯達布朗尼相機
22 通司朗燈泡
23 自動電氣燭檯式電話機
24 福特T型車
25 胡佛吸入式清掃器
26 霍爾特履帶...