本文通过自行车的演化进程来分析创新需要哪些条件和环境。
原文地址：https://rootsofprogress.org/why-did-we-wait-so-long-for-the-bicycle
以现代人的眼光看起来并不需要高深的科学知识，也不需要惊世骇俗的发明的现代自行车，为何需要经过好几个世纪才完成从概念到落地呢？
我将这个疑问放到了Twitter上，也看了一些在Quaro上的讨论，所有的原因大致归纳如下：
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技术原因 到了十九世纪，金属提炼和加工工艺都有了质的飞跃，从而制造出了物美价廉的钢管和轻便的辐条车轮；橡胶的硫化处理工艺的发明，才有了可充气轮胎(1887年)；现代自行车上必须有的链条，齿轮的生产制造都对设备和工艺有着较高的要求，因为他们都属于精密装置。
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设计原因 最早的自行车并不是现在看到的样子，它既安全也不方便，通过设计的迭代，后来的版本虽然解决了一些问题，但是依然有很多致命问题，比如没有转向装置，必须靠倾斜车体来完成小的转弯，著名的Penny-Farthing模型，前轮被设计的非常巨大，骑行的人员没法让脚接触到地面，可以想像，如果突然刹车是非常危险的，然后又花了20年才变成了现代自行车的样子。
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道路原因 十九世纪初因为道路质量差，被大车压出车辙，铺设工艺也简单，只要下雨就会变成“水泥路”。在1820年有柏油路铺设工艺之前，鹅卵石是铺设道路的主要材料，它更适合马匹而不是自行车行驶。
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和马竞争 早在十九世纪之前，马匹作为通用交通工具的概念早已深入人心，它可以应付各种道路状况，而且具备优秀的负重能力。这样的话，谁还需要自行车呢？也许是因为食物危机才诞生了创造不需要食物的交通工具的想法。其实1816年的时候确实发生过食物危机，当时因为坦博拉火山的爆发，高浓度的火山灰直接影响了植物的光照和温度，导致收成大跌，处在饥饿威胁中的农场主不得不杀掉马匹来充饥，而被留下来的马也同样需要价格不菲的食物来喂食。
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经济原因 只有经济发展后出现了中产阶级，才有了对自行车这种产品的需求，因为低收入人群温饱问题还没解决，而高收入人群有更多的替代方案，比如马车，汽车等。所以在真的需求出现以前，自行车更多的被定义为娱乐工具而不是交通工具。
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文化原因 也许到了个历史进程的某个节点后，人们才对机械的发明创造产生了浓厚的兴趣，但又什么时候发生改变的？这又是什么导致的呢？
讨论给出的推理观点都有点道理，但也都不能经得起仔细推敲：
道路是一个因素，但并不是真正的原因，因为自行车实际上可以在很多类型的道路上骑行，而且从历史进程上看，道路的改善是在现代自行车流行以后，看起来更像是自行车的流行带来了对道路改善的需求。
我同样不认可马的因素。按我的理解，自行车在购买和养护成本上明显低于马匹。很显然，在现代自行车发明之前的很长一段时间内，发明家更加关注如何解决使用人力替换马力给车厢提供动力，而不是想着如何代替马匹。
技术原因有一定的说服力，因为自行车想变成实际可行的交通工具，技术上的提升是不可或缺的。但是很多改善和创新并不依赖于技术，比如用木头来做自行车框架，用金属镶边的车轮，可以不要转向装置，链条也同样可以使用履带代替。
那么，应该怎么解释自行车的这种发展之路呢？
为了找到真实原因，我对自行车的历史做了一些深入研究。
人力车的概念可以追溯到多个世纪之前。关于人力车的最早参考信息来自与威尼斯工程师Giovanni Fontana在15世纪的一次描述，”是一个四轮车厢，驾驶员通过拉一个缠绕在齿轮的上的绳索来驱动前进。”
David V.Herlihy在他的书《自行车》中同样记录了一些参考信息：
三个世纪以前，著名的法国数学家Jacques Ozanam这样来描述人力车的好处：“在这个机械结构里，只要你愿意随时都可以让它载着你动起来，而不需要马的帮助”。有了它你可以随意漫步在路上而不需要照顾它，还能通过使用它来锻炼身体。进一步来说，相对于风力和水力，我们把这种人力车称之为“自我移动”机械车，它需要的最多的资源就是你的意志力。但是如何构造它呢？这个问题和答案Ozanamz在他在《Récréations Mathématiques et Physiques》书中发现和解决的五十个“实用又好玩的”问题中的第二十三个，发布于1696年。
Ozanam的书中展示了另外一个发明家的人力车厢的解决方案，它由四个轮子和一个车厢组成，两个驾驶员配合驾驶，一个负责转向，另外一个负责通过上下踏动踏板来驱动轮子前进。
四轮人力车作为人力车模型，足足影响了人们几个世纪，很多发明家都尝试着使用他们聪明的双手来设计并构建它。1774年的伦敦日报记录了这样一个数据，四轮人力车一个小时行驶了六英里的记录。法国发明家Jean-Pierre Blanchard也搭建了一个人力车，成功的完成了从巴黎到凡尔赛的十二英里的路程。一名叫Boltond的美国工程师在1804年构建了一个使用互锁齿轮机械杠杆的人力车版本。总的来说，这些尝试都没有太多实际价值，因为庞大和笨重车体导致根本无法真正使用。
19世纪初期，Karl von Drais 观察到应该使用马的模型代替四轮人力车的模型，Drais是个森林农场主，所以他有足够的时间来捣鼓这个事情，其实他早在1813年就做过和前辈们一样的的四轮人力车模型，当然和前辈一样并没有受到的支持。
1817年, 可能和前文提到的食物危机有关，Drais开始尝试一种新的设计：两轮单人车，这个被认为是现代自行车的雏形，它使用木头制作而成，钢铁轮圈。Drais把它称之为Laufmaschine，或者“奔跑的机器”。它并没有设计脚蹬，而是使用直接蹬踏地面的方式来提供动力。后来由伦敦的车身制造厂进行了改进，就是大家熟知的“pedestrian curricle”
没有脚蹬和齿轮传动，这种单人双轮自行车当然无法满足用户对速度和效率的要求，但是，就像现在的孩子们玩的滑板车一样，这种自行车在某些场景下也是有用的，比如你可以骑着它去海边，特别是下坡的时候，让你不用费力就可以前进。这个单人双轮自行车最高可以达到12英里/小时的速度，它在1818-1819年一度风靡流行，接着很快就淘汰了，看起来主要原因就是车子带来给骑行者和路上行人的危险。
又等到几十年，下一个关键改进才迟迟到来：脚蹬。至于谁是第一个发明的一直存在争议，但有点可以确定，该项改进出现在1860年代的法国，自行车也是从1860年开始了飞速发展。脚蹬的设计可以让骑行者更快更有效的前进，这种车型最早在法国使用木头完成，再后来替换为钢材，就变为大家熟知的“无橡胶轮胎的自行车”。
发展到这里，自行车依然缺失齿轮和链条，脚蹬也是直接安装在前轮，这种设计无法提供机械的优势，因为这个相当于1:1的齿轮比，你可以想象以下撑了很长的腿而自行车却很慢。
为了解决上述的问题，当时自然而然想到的办法就是加大前轮，所以1870年前后出现了一大批看起来很滑稽的自行车设计，比如”penny-farthing”和“high-wheel”，这些设计都有巨大的前轮，就像十九世纪初期的那些设计类似。也就在此时，金属车架，辐条车轮，以及实心橡胶轮胎开始出现，这些装置可以让自行车骑的平稳快速，巨大的轮子也起到了缓震的作用。但是这种设计对骑行者的平衡技术有很高的要求，如果突然刹车就会出现车和人都头栽地的翻滚过去，受伤几率很大。
最后一个关键改进：把脚蹬从车轮上分离开。我们把这种改进后的自行车称之为“安全自行车”，它至少是应该由踏板和杠杆来驱动前进，从1870年开始一直被人们尝试实现。1885年John Starley使用曲柄和链条设计完成了这个关键改进并成功商业化，1888年John Dunlop引入了充气轮胎，提高了车辆的缓冲性能，解决了penny-farthing车型最后一个问题
所以，我们通过上面的发展能够得出什么结论呢？
首先，正确的设计并不是显而易见的。 几个世纪以来，自行车的发展停滞不前，更多的是因为人们一直是这制造多人四轮车，而不是单人双轮车，这里面的原因并不清楚，但是可以肯定的是，发明家一直试图复制已存在的交通工具模型，但是他们为什么只想到“马拉车”模型而没有想到“人骑马”模型呢？也许是因为早期的机械发明家很难意识到“多人四轮马车”设计是无法实际使用的，因为他们缺少了数学工程知识，当数学家Drais再次遇到这个问题，就迎刃而解了。
尽管Drais找到了双轮设计这个关键，依然迭代出了各种版本，也是为了设计出更加高效，舒适和安全的车辆。
其次，材料和制造工艺的进步是自行车商业化成功的必要条件，站在我的角度来看，材料和制造工艺的进步同时带了设计进步和触发灵感，把这些区别开来并不容易。但是人们能够忍受高轮自行车的这一事实表明了充气轮胎的至关重要。如果想要轻巧可靠的链条和齿轮，就需要更高的金属加工工艺，这看起来是合理的，而且这样价格也可以更加亲民，木质车架很明显在重量和强度方面都无法满足实际使用需要。
我们更深如的思考下，就是前面提到的那些让我感兴趣的问题：为什么没有一个人能在十九世纪以前尝试双轮自行车的模型？为什么十五世纪以前没有人思考过人力车的问题？为什么在十四世纪就有了齿轮传动的钟表却没能发明齿轮传动的自行车？那么在古罗马又是谁发明的水磨和收割机呢？在古希腊又是谁发明的安提基特拉机械？即使没有轮胎和链条，至少也可以试试draisines的模型，但是这却没有发生，这又是为何呢？
开始回答这个问题之前，我们要直到到这是个普遍的现象。比如轧棉机也一样。和自行车的发展历程相似，它甚至比自行车更简单：就是一个木头盒子，一个网以及一个鼓锤组成。事实上因为轧棉机的设计十分简单，农场主纯手工就可以就能打造一台。对纺织机械中的每个重要发明的疑问和自行车一样，Anton Howes，一位经济史学家，他在推特上写过关于John Kay的飞梭的故事：
正如发明家Bennet Woodcroft说的那样，使用普通的梭子来编织已经“工作了五千多年，数以百万计的熟练工人使用过，但是在1733年之前却没有任何改进来加速操作”。Kay的创新也非常简单，不过是加入一些木头和绳索，就成了“飞梭”，然后他把飞梭用在了英格兰中世纪以后的最大行业-羊毛纺织行业里。Kay的改进不需要特殊技巧，也不需要理解具体的科学知识，在没有任何刺激下他作出了创新。对于某些机构来说，飞梭在技术上是非法的，因为节省了劳动力，导致大量的失业。飞梭专利很快就被竞争对手盗版，Kay被迫移居法国，那些因为失业而愤怒的编织工从国外赶来，让Kay的财产和生命都受到了很大的威胁。尽管由社会和法律的阻碍，Kay还是在没有刺激的情况下完成了创新。
还有很多类似飞梭的故事来可以用来展示人们在创新方面的尝试，一些创新的想法在没有明显成功迹象之前并没有几个人支持，于是这些创新的想法就会抛弃，很多年以后又会被捡起来，Richard Trevithick早期对火车头的创新失败就是如此。
有鉴于此，我想最根本的原因是经济和文化因素，考虑到经济因素，看起来必须发展到一定水平，有了足够的富余财力才能让那些研究开发机构来进行尝试创新，就像Karl von Drais一样，由于他是个财主大亨，才能让他有经济实力在闲余时间来进行发明创造，这也是那个时候大部分研究人员的特点：要么是贵族，要么是财务自由的大亨。而今天，我们有大学，企业和风险投资家对新产品和服务的开发提供资金支持，当看到创新有可能会成功的时候，就会有很多的团队来支持并将它转化为市场商品，但是我们不再有数十年的等待时间，这个时间会少很多。
如果从需求来看经济因素，富余的经济看起来会为一些新产品有了市场需求，也许只有人均GDP达到某一个点的时候，人们才会有时间，精力和热情来思考发明创造，而这些并不是他们桌子上的食物，头顶上的帽子或者身上的衬衫。
最后，也就是文化因素。Howes说：创新并不是人类的天性，但是却被人类拥有…如果人们不创新，最简单的解释就是‘他们重来没这样做过’。