اختراعات مهم تاریخ
صفحه نمایش لمسی

صفحه نمایش لمسی

US3482241
اریک آرتور جانسون

«نیاز مادر اختراع است»؛ اگرچه این جمله معروف در میان عوام به عدت تکرار می‌گردد، با این وجود، همه صاحب‌نظران بر روی آن اتفاق‌نظر نداشته و برخی از آن‌ها، تخیل را مادر اختراعات می‌دانند. اگرچه ممکن است که تخیل خود در نتیجه یک نیاز شکل گیرد، اما این یک الزام نبوده و در بسیاری از موارد، این دو به صورت مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند. چه بسیار دستاوردهای بزرگی که تا سال‌ها کاربردی برای آن‌ها وجود نداشته، چرا که تخیلی پیش از آن وجود نداشته است. یکی از نمونه‌های بارز این نوع دستاوردها را، می‌توان فناوری لیزر دانست؛ به طوری که سال‌ها طول کشید تا کاربردهای شگفت‌انگیز آن نمود یابد. در آن سال‌ها، محققین و منتقدین می‌گفتند که لیزر، راه‌حل بزرگی است که اکنون باید به دنبال مشکلی برای آن باشیم! به‌راستی، تخیل بشر را از عصر تاریکی به تمدن امروزی رسانده است. تخیل، به ما موتور بخار، تلفن و الکتریسیته را داد. اختراعات تأثیرگذاری همچون ربات، اتومبیل و هواپیما، سال‌ها پیش‌تر از تحقق یافتن، توسط ذهن خلاق افرادی همچون داوینچی تصور شده بودند. آیا بشر در قرن پانزدهم نیازی به ربات احساس می‌کرد؟! دفتر منتسب به داوینچی، گواهی بر این موضوع است که وی این اختراعات را با جزییات مفصل تصور نموده بود.

یکی از اختراعات مهم و همه‌گیری که آن را مدیون تخیل بشر هستیم، صفحه‌نمایش لمسی است. فناوری‌ای که راحتی ارتباط کاربر با دستگاه‌های مختلف را در کابین خلبانان و خودروها، تا لوازم‌خانگی، رایانه‌ها و از همه مهم‌تر گوشی‌های هوشمند، فراهم نموده است. بسیاری از کاربردها و فناوری‌های مربوط به صفحات لمسی، سال‌ها پیش از توسعه آن‌ها، با استفاده از جلوه‌ها و تکنیک‌های بصری سینما، در فیلم‌های تخیلی به نمایش گذاشته شد. به عنوان مثال، مشابه میز لمسی مایکروسافت و یا پروژکتور اکسپریای شرکت سونی که علاوه بر نمایش تصویر، با استفاده از سنسورهای مادون قرمز تصویر موردنظر را به نمایشگر لمسی تبدیل می‌کرد، قبلاً در فیلم‌های تخیلی به کرار وجود داشت.

امروزه با توجه به پیشرفت در قدرت و قابلیت بسیاری از وسایل الکترونیکی، ازجمله وسایل خانه و گوشی‌های همراه، قسمت قابل‌ملاحظه‌ای از تمرکز تولیدکنندگان در فرایند تحقیق و توسعه، بر روی راحتی ارتباط مصرف‌کننده با دستگاه است. یکی از فناوری‌هایی که این مهم را محقق ساخته است، نمایشگرهای لمسی است. فناوری‌ای که تنها با نوک انگشتان شما، درهای دنیای اطلاعات را به رویتان باز می‌کند. امروزه کاربران گوشی‌های هوشمند، روزانه هزاران فرمان را تنها با لمس صفحه، به گوشی‌های هوشمند خود وارد می‌کنند. در مشاغل حساس، مانند هدایت هواپیما، اتاق عمل و یا اتاق‌های کنترل، شاید این قابلیت بیش‌تر نمود یابد. در رایانه‌های اولیه که از دستگاه‌های رابط کاربری بهره نمی‌بردند، برای واردکردن ساده‌ترین دستورات نیز، باید سطرها کد توسط کاربر وارد می‌شد. با توجه به این موضوع، تا قبل از توسعه اولین دستگاه‌های رابط کاربری که مهم‌ترین آن‌ها ماوس بود، استفاده از رایانه‌ها نیاز به تخصص بالایی داشت و همین موضوع، تا حدودی دلیل بر همه‌گیر نشدن آن‌ها بود؛ اما به‌واسطه توسعه صفحات لمسی و استفاده از آن‌ها در رایانه‌ها، تبلت‌ها و گوشی‌های هوشمند، امروزه این دستگاه‌ها توسط خردسالان و سالخوردگان نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. از طرفی، با توجه به این‌که صفحه‌نمایش‌های لمسی، دو عمل نمایش و ورود داده‌ها را توأمان انجام می‌دهند، اندازه بسیاری از دستگاه‌ها را کوچک نموده و دیگر شما برای ورود داده‌ها، نیازی به سیم و صفحه‌کلید ندارید.

امروزه صفحات نمایش لمسی، با فناوری‌های متفاوتی وجود دارند که می‌توان به صفحه‌نمایش‌های خازنی، مقاومتی، اپتیکی و مادون قرمز اشاره نمود که هرکدام، مزایا و معایب مختص به خود را دارند.

ایده صفحه‌نمایش لمسی، برای نخستین بار در سال ۱۹۶۵، توسط مهندسی انگلیسی به نام اریک آرتور جانسون «Eric Arthur Johnson» مطرح شد. وی که به عنوان مهندس در مؤسسه رویال رادار مشغول به فعالیت بود، هدفش از بیان ایده صفحه لمسی، استفاده از آن در رایانه‌ها و یا گوشی‌های همراه نبود؛ بلکه وی بهره‌گیری از این فناوری برای استفاده توسط کنترل‌کنندگان ترافیک هوایی و رادارها را مد نظر داشت. وی در مقاله‌ای دوصفحه‌ای با عنوان «صفحه لمسی: دستگاه ورودی و خروجی جدیدی برای رایانه‌ها»، به معرفی صفحه لمسی پرداخت و دو سال بعد، در قالب نوشتار مفصلی تحت عنوان «نمایشگرهای لمسی: یک رابط برنامه‌ریزی‌شده انسان و ماشین»، به‌طور مفصل در قالب تصاویر و دیاگرام‌ها، نشان داد که این فناوری چگونه کار می‌کند. نمایشگری که جانسون توسعه داد، یک صفحه رادار بود که برای کنترل ترافیک هوایی مورد استفاده قرار گرفته بود. این صفحه‌نمایش، بسیار حجیم بود، از سرعت و دقت پایینی برخوردار بود و همچنین هزینه ساخت بالایی داشت. با این وجود، تا سال ۱۹۹۰ مورد استفاده قرار گرفت. جانسون در آگوست سال ۱۹۶۵ نسبت به ثبت اختراع خود در دفتر ثبت اختراعات بریتانیا اقدام نمود و پیش از پایان دوره زمانی یک ساله مجاز برای ثبت در سایر دفاتر، برای ثبت در دفاتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا و همچنین آلمان و هلند نیز اقدام نمود. جانسون در دسامبر سال ۱۹۶۹، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US3482241»، از دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا گردید.

 

 

به نظر فناوری ارائه شده توسط جانسون غیرکاربردی بود و به همین دلیل، تا یک دهه کسی به توسعه آن نپرداخت. فناوری صفحات خازنی تک لمسی، نسبت به صفحات امروزی با قابلیت لمس چندنقطه‌ای، بسیار ساده هستند. این نمایشگر، متشکل از صفحه رسانایی بوده که مواد شفاف روی آن قرار داده می‌شود. با برقراری جریان الکتریکی کوچک در صفحه مذکور، میدان الکتریکی ایجاد شده و در چهار گوشه این صفحه، جریان الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود. هنگامی که انگشت کاربر نمایشگر را لمس می‌کند، فاصله میان آن و صفحه باردار، ایجاد خازن می‌کند. با اندازه‌گیری تغییر ظرفیت خازنی در هر گوشه، مکان لمس نمایشگر برآورد شده و به پردازنده مرکزی ارسال می‌شود. این نوع از نمایشگر لمسی خازنی، چندان دقیق نبوده و توانایی تشخیص چند لمس هم‌زمان را ندارد.

کاستی‌های زیاد نمایشگر خازنی جانسون، باعث شد که این فناوری رو به فراموشی رود. در سال ۱۹۷۲، فرانک بک «Frank Beck»، مسئول اتاق کنترل پروژه بزرگ ابرشتاب‌دهنده پروتونی در سازمان تحقیقات اتمی اروپا (CERN)، از بنت استامپ «Bent Stumpe»، مهندس دانمارکی که سابقه کار تحقیقاتی در کارخانه تلویزیون سازی را داشت، خواست که سخت‌افزاری برای این واحد بسازد که در آن، تمامی سوئیچ‌ها، اهرم‌ها و دکمه‌های اتاق کنترل، با سه کنسول جایگزین شود. چند روز بعد، استامپ با طرحی برای ساخت صفحه‌نمایش لمسی دارای چند دکمه قابل‌برنامه‌ریزی و گوی کنترلی (دستگاهی با مکانیزم و عملکرد مشابه ماوس)، نزد بک بازگشت. صفحه لمسی مذکور، قسمتی از یک مدار الکتریکی بود که در تماس با انگشت کاربر، دی‌الکتریک خازن آن تغییر می‌کرد. تغییر ظرفیت خازنی نواحی صفحه که لمس نمی‌شد، توسط نرم‌افزار اندازه‌گیری می‌گردید و به این ترتیب، دقیقاً قسمت‌هایی از صفحه که لمس می‌شد را مشخص می‌کرد. سپس اطلاعات حاصل شده توسط نرم‌افزار، برای اجرای عملیات مورد نظر استفاده می‌شد. با تولید این صفحه‌نمایش، علاوه بر سازمان تحقیقات اتمی اروپا، بسیاری از آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بزرگ دنیا، از جمله رودرفور انگلیس و میتسوبیشی ژاپن، از این فناوری بهره‌مند شدند. دوام بالا، یکی از ویژگی‌های این صفحه‌نمایش بود. می‌توان گفت که اولین نمایشگر لمسی کارا که در طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی، ازجمله گوشی‌ها هوشمند استفاده می‌شود، در نتیجه پروژه‌ای حاصل شد که در واحد کنترل شتاب‌دهنده پروتونی توسعه یافت.

شاید فکر کنید که مرکز تحقیقاتی که فناوری‌های مهم و همه‌گیری مانند صفحه‌نمایش لمسی و شبکه جهانی وب را توسعه داده است، باید درآمد کلان و باورنکردنی از بابت دریافت حق امتیازهای مربوط به چنین فناوری‌هایی به دست آورده باشد. ولی مؤسسه تحقیقاتی «CERN» که در ژنو سویس مستقر است، هیچ‌گاه برای این فناوری‌ها که می‌توانستند در زمره ثروت سازترین فناوری‌های تاریخ باشند، پتنتی ثبت نکرد. تأمین‌کنندگان مالی «CERN»، بیست کشور اروپایی هستند که سالانه جهت تحقیقات و توسعه فناوری‌های مختلف، میلیون‌ها یورو به این سازمان اعطا می‌کنند. آن‌ها نمی‌خواهند که برای استفاده از این دستاوردها در کشورهای خود، هزینه‌ مجددی پرداخت نمایند و به همین دلیل، «CERN» در تاریخ فعالیت خود، جزییات بسیاری از اختراعات را به شکل کشفیات علمی منتشر نموده که صفحه‌نمایش لمسی و شبکه جهانی وب، تنها نمونه‌هایی از آن‌ها هستند. بعدها این سازمان در پی موفقیت‌ها و دستاوردهای بزرگ در حوزه تصویربرداری پزشکی، موضوع مالکیت فکری و انتقال فناوری را با جدیت دنبال نمود و در پی راه‌حلی برای مشکل حفاظت از دارایی‌های فکری و درعین‌حال مضاعف نشدن هزینه‌های کشورهای عضو و حامی این سازمان، بود. «CERN» اخیراً مذاکرات و توافقاتی با سازمان جهانی مالکیت فکری در این باب داشته که نگرانی‌هایی را در مورد تغییر در رویکرد و انحراف این سازمان از رسالت اصلی خود، یعنی توسعه علوم پایه به وجود آورده است.

شاید ناکارآمدی صفحه لمسی جانسون و عدم ثبت پتنت توسط استامپ، دلیلی بر این موضوع باشد که عده‌ای از مورخین، اختراع صفحه لمسی را به سام هورست «Sam Hurst» نسبت می‌دهند. وی که استاد دانشگاه کنتاکی بود، به همراه چند تن از همکاران خود در سال ۱۹۷۱، یک سنسور لمسی توسعه داد که اساس آن به‌صورت کاملاً تصادفی، در زمانی که وی در زمینه فیزیک اتمی تحقیق می‌کرد، کشف شد. در آن هنگام، دانشگاه معتقد بود که یافته هورست فقط می‌تواند در آزمایشگاه‌ها کاربرد داشته باشد. با این وجود، وی به توسعه این فناوری پرداخت و از ماده شفافی بر روی آن استفاده نمود. هورست و تیمش، دریافتند که صفحه لمسی، می‌تواند رابطی بسیار عالی برای نمایشگر رایانه‌ها باشد. صفحه‌ای که هورست توسعه داده بود، به صفحه‌نمایش‌های مقاومتی شناخته می‌شود که در آن، از دو ورق از جنس ماده منعطف و رسانا استفاده می‌شود. خطوط رسانا، به‌صورت چاپی و در جهت‌های مخالف (عمودی و افقی) بر روی این ورق‌ها قرار می‌گیرند. به هر یک از این خطوط، ولتاژ منحصربه‌فردی اعمال شده و ولتاژ صفحه به‌طور پیوسته اندازه‌گیری می‌شود. هنگامی‌که جسمی روی صفحه فشار وارد نماید، خطوط دو صفحه با هم تماس یافته و ولتاژی که از ترکیب این دو به وجود می‌آید، مشخص می‌کند که کدام خط افقی و عمودی باهم تماس داشته و در نتیجه، مختصات دقیق نقطه تماس برای پردازنده تفهیم می‌شود. هورست در هفتم اکتبر ۱۹۷۵، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US3911215»، برای صفحه‌نمایش لمسی مقاومتی خود شد. صفحات لمسی مقاومتی، از دقت بالایی برخوردار بوده و حساس به آب و گردوغبار نیستند؛ اما در مقایسه با صفحات خازنی، به فشار بیشتری برای عمل کردن نیاز دارند. همین موضوع، باعث شده تا صفحات مقاومتی توانایی پشتیبانی برای بسیاری از تعاملات و حرکاتی که توسط صفحات خازنی پشتیبانی می‌شود را نداشته باشند. تمام این مسائل، باعث شده که در گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها، بیشتر از صفحات خازنی استفاده شود.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره‌شد، صفحه‌نمایش‌های لمسی انواع مختلفی داشته و از فناوری‌های متعددی بهره می‌برند. تا اواخر قرن بیستم، علی‌رغم توسعه فناوری‌های مربوط به صفحات لمسی و کاربردهای آن‌ها، اگرچه این صفحات در دستگاه‌هایی همچون کنترل‌کننده‌های ماشین‌آلات صنعتی، دستگاه‌های «ATM» و دستگاه‌های بازرسی مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما آن‌چنان‌که باید همه‌گیر نبودند. معرفی دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل شخصی، نقطه عطفی برای صنعت صفحات لمسی بود. باید تأثیرگذارترین شرکت در صنعت صفحات لمسی که موجب محبوبیت و رشد این فناوری شد را، شرکت اپل دانست. معرفی دستیار دیجیتال اپل در سال ۱۹۹۷ که در آن ابزارهایی مانند ماشین‌حساب، دفتر یادداشت، تقویم و... ترکیب شده بود، انقلابی در این صنعت به وجود آورد. ادغام این دستگاه با گوشی‌های تلفن همراه را می‌توان نقطه آغاز صنعت میلیارد دلاری گوشی‌های هوشمند دانست. شرکت‌های متعددی از صفحات نمایش در گوشی‌های همراه خود استفاده نمودند که از آن جمله، می‌توان به «IBM» اشاره نمود که برای نخستین بار، این کار را در گوشی‌های مدل «IBM Simon» انجام داد. با این وجود، اپل بار دیگر در سال ۲۰۰۷ میلادی، با معرفی «iPhone» با صفحه‌نمایشی دقیق و ارزان و با قابلیت چند لمسی، چشم‌انداز جدیدی برای تمامی بازیگران بازار گوشی‌های هوشمند ترسیم نمود. لازم به ذکر است که استیو جابز به همراه بیست‌وچهار نفر از کارکنان خود در اپل، درخواست ثبت اختراع مفصلی برای صفحه نمایش چندلمسی مذکور ارائه نمودند که در سال ۲۰۰۹ موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی با شماره «US7479949»، از دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا گردید.