在打字能力发展了一百年之后，我们的键盘布局基本上保持不变：一个矩形板，上面有看似随机排列的按键。 为什么会这样，我们如何才能做得更好？
键盘的起源
在 20 世纪初第一批机械打字机出现之后，所有的打字工作都是通过相当复杂的机械系统以人力驱动的。 一个例子是 1904 年商业化的 Continental 打字机，如下图所示。 按键的正交排列——其中每一行相对于下一行侧向偏移——是由于需要避免连接每个按钮的各种悬臂梁之间发生碰撞，这些悬臂梁通过复杂的机制连接到撞击纸张的浮雕，从而创建字母。 这种一行的按键出现在前一行按键之间的空间中的设计仍然存在于今天的键盘上。
（原始照片由 Mali Maeder 拍摄。 由 Luis Teia 修改。 CC BY-SA 2.0）
随着岁月的流逝，更紧凑和更坚固的电动机和执行器逐渐取代了这种复杂机制的悬臂部分（例如，参见 1961 年商业化的 IBM Selectric）。 随着计算机的出现，将打字动作转化为可见文本的能力依赖于三个主要部分：屏幕、计算机和键盘（在笔记本电脑中，这三个子系统存在于一个便携式模块中）。 总的来说，物理机制几乎完全被电子设备（即布线、电力驱动和编程控制）所取代，正如亚马逊上出售的任何当前键盘所见。 再次，按键的正交排列基本上保持不变。
（原始照片由 Viktor Hanacek 和 Athena 拍摄。 由 Luis Teia 修改。 CC BY-SA 2.0）
总的来说，这转化为 100 多年的巨大发展，我们如何将打字动作转化为印刷或屏幕感知的文本（从人力驱动到电力驱动，具有先进的计算能力），但在人机界面（无论是在其逻辑排列还是人体工程学特征方面）方面几乎没有或根本没有发展。
缺失的环节
我认为，在过去一个世纪的打字机电气化过程中，人体生理学与键盘中按键的排列之间的联系，作为人与机器之间的界面，在很大程度上被忽视了。 一个仍然没有答案的关键问题是，我键盘上当前的按键排列是最有效和最直观的解决方案吗，在努力和时间方面？ 本文希望启动关于根本性的、跳出固有思维模式的方法的交流，以创建新颖和激进的开源键盘结构来解决这个问题。 这里提出的想法只是众多可能性之一。
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考虑到更高效的打字活动在精力和时间节省方面的潜在好处，再乘以每天打字的数百万甚至数十亿用户，总体效果可能会产生巨大的回报，对社会和专业活动产生全球性的影响。
人体工程学思考
任何设计都始于对设备所连接的系统动态的充分理解。 例如，喷气发动机连接到飞机。 反过来，键盘连接到人，这使得以下问题在设计过程中变得相关：
- 将一个单词放到屏幕上最简单和最轻松的方法是什么？
- 大脑如何构建任何给定的单词，以及我如何键入字母来做到这一点？
- 我最常使用的单词是什么？
- 键入单词和重复使用如何影响按键布局？
- 我想移动我的手指、手、手臂，还是所有这些的组合？
- 一整天打字的努力影响是什么？
手和手指的自然几何形状包括手掌中心的中心，以及扇形展开的手指的组合，这些手指可以径向延伸。 手（包括手指）可以围绕手腕旋转，而手臂又可以前后和左右平移（包括手和手指）。 锻炼这些自由度所需的努力量随着从手指移动到手臂而增加，这仅仅是因为位移的质量增加。 移动手臂而不是手指会使我们变慢并且更快疲劳。
（原始照片由 Anna Shvets 拍摄。 由 Luis Teia 修改。 CC BY-SA 2.0）
单词内的振荡流
以英语为例，英语有超过 20 万个单词，有效沟通至少需要 3,000 个单词。 这种语言的基础始于代词（我、你、他、她、它、我们和他们），其次是主要动词（是、做和有）。 这小组词可能是日常打字活动中最常用的词，构成了全世界的英语句子。 可以使用此信息构建高效的键盘排列的基础。 可以采取类似的方法来匹配其他语言。 没有一种方法适合所有语言和/或用户偏好。
单词是以在元音和辅音之间移动的自然交替方式键入的。 元音和辅音之间的这种来回振荡在句子中持续存在。 振动理论告诉我们，所有振荡都围绕一个中心发生； 因此，很自然地假设（作为人体工程学思考），我们的未来键盘中存在一个中心。 从物理学的角度来看，粒子或单点实体振荡系统（非分布式）——例如在行星轨道和量子谐振器中发现的那些——告诉我们，一个点围绕中心（在我们的例子中，这个点是我们的手指焦点，由我们的线性思维控制）的振荡会导致圆形或弧形运动的出现。 最后，这些类比对我们键盘设计的影响表明存在一个中心和一个信息的弧形分布。 事实上，古希腊剧院（以及作为遗产的现代剧院）体现了这种结构——即，一个中心被圆形弧线包围，以实现有效的声音迁移或信息传输。
考虑元音聚集在键盘中心（如下所示）的情况，可以称为元音核心。 可以合理地假设，在所有元音中，A——字母表的第一个字母——最适合位于中心（元音核心和键盘的中心）。 其他四个元音 E、I、O 和 U 形成围绕字母 A 的四个象限，放置在半径更大的第二个圆形轨道中。 在这种排列中，将辅音分布在该核心周围的层中是合乎逻辑的。 反过来，辅音的排列应该是这样的，即上面提到的关键词可以轻松直观地书写（并且最好是从左到右水平书写，就像思维在使用笔和纸时书写一样）。 这种圆形布局反映并促进了从元音到辅音及其反向过渡的自然单词形成运动。 以下是一些在此类键盘架构中如何键入单词的示例。
（Luis Teia CC BY-SA 4.0）
某些关键词的键入路径或顺序被叠加（以红色突出显示）。 可以看到数字化手指的向内和向外运动（例如，参见左上角的单词 Have）。 一个或多个手指键入单词并不重要，因为我们的线性思维一次只能专注于一个字母。 也就是说，显示的路径遵循思维在键盘上构建单词时的键入顺序。
在形成由辅音的内弧和外弧包围的内部元音圆形核心之后，逐渐添加半径增加的几个轨道。 由此产生的键盘布局如下所示，并简要解释如下。 首先是具有符号和较大按键（如空格键和回车键）的轨道——键盘上最常用和最大的按键——其次是具有功能键的轨道，最后是顶部的较小轨道，用于更高功能。 外壳周围的按键归因于热键，例如音量控制、播放、停止和互联网浏览器控制。 具有相反意义的按键，例如 < > 和 ( )，放置在垂直对称轴的两侧。 更高级别的键盘，包含数字和代数运算符（以及其他字符），可以通过持续按住 Shift 键（在左下方）或按一次 CAPS 键（在顶部中心）来获得。 所有程序中最常用的功能之一是保存； 因此，在顶部放置一个按键以便于访问。 我之前在《开放工程杂志》(TJOE) 上发表的开源出版物表明，运算符周围的数字分布大大减少了计算时间和精力。 有关更多详细信息，请查看 TJOE 出版物 基于圆形群方法的高效界面新计算器设计。 我将在未来更长的出版物（可能在《开放工程杂志》上）中深入解释单手键盘是如何创建的及其优势。
（Luis Teia，CC BY-SA 4.0）
由此产生的圆形单手键盘长约 24.5 厘米，宽 21.2 厘米，厚 4 厘米。 垂直对称性使其适合右手和左手用户。 两种用法之间最显着的变化是空格键和回车键的位置，但是人们可以很容易地训练思维来交换这些键（即，对于使用左手的人，拇指按下回车键，小指按下空格键，反之亦然）。 关于其总体设计，流线型的弧形外壳的灵感来自电视剧《星际迷航：下一代》中的星舰企业号的舰桥。 您是否注意到高速公路曲线如何倾斜以自然地推动和保持汽车在轨道上？ 同样，辅音（和外轨道）表面的向内曲率在每次按下按键后都会产生径向反作用力分量，这有助于引导手指回到中心。 它有助于书写单词的振荡运动的收缩部分。 相反，元音核心的凸曲率则相反。 它有助于书写单词的振荡运动的扩展部分。
（Luis Teia，CC BY-SA 4.0）
计算机专家知道，信息交换期间的数据交换（RAM 数据传输到硬盘驱动器和从硬盘驱动器传输数据）会显着降低系统速度。 同样，在键盘和鼠标之间交换手和注意力也会产生类似的有害影响。 单手键盘旨在让一只手专门用于书写，而另一只手则完全可以操作鼠标，从而消除键盘-鼠标手交换造成的低效率。 为了设想这种键盘的最终用途，请考虑熟练的会计师的类比，他们可以快速在小键盘上输入大量计算而无需查看。 最终目标是将这种技能外推到单手键盘。 这是其创造者的伟大期望——提供让人能够以比普通矩形键盘更少的精力和更快的速度书写整篇文章的能力。 当然，思维需要首先映射新键盘，但其在很大程度上直观的排列应该有助于这个过程。
计算机辅助设计构造
成功销售产品的能力直接取决于产品外观的好坏和真实性。 反过来，计算机模拟软件是推动产品完成其设计和成熟周期的最廉价方式。 另一种选择——构建模型和测试——既昂贵又耗时。 开源计算机辅助设计 (CAD) 软件提供了更大的优势，因为无需支付使用许可。 当前的缺点是它们仍然落后于商业上可用的替代产品的能力。 有几个领先的开源 CAD 软件解决方案。 在使用商业 CAD 软件工作了十多年之后，我认为 FreeCAD 是最完整的免费同类软件之一，它提供的功能最接近商业软件包提供的功能。 事实上，现在可以使用此软件设计具有多个运动部件的高度复杂机器。 仍然有一些错误需要解决，并且航程可能不如商业软件那么顺畅，但零成本完成它是可能的。 您可以在 FreeCAD 中创建一个喷气发动机——它已经如此先进了！
（Luis Teia，CC BY-SA 4.0）
FreeCAD 具有创建复杂零件和组件所需的所有基本（甚至更高级）功能。 它具有商业软件的所有基本功能和特性，其中最重要的是：
- 左侧：树状列表，列出已完成的操作（显示标签和属性）及其顺序。
- 顶部：从下拉菜单中选择 零件设计 模式后，从左到右控制呈现的模型类型、相机方向、草图创建、平面以及最终添加/移除材料的选项（即拉伸、旋转、放样等）。
- 布尔运算：添加或减去两个体积以及倒角和圆角边缘的可能性。
包含键盘最终版本的 FreeCAD 文件可在 Figshare 上免费获得。 它仍然是解锁状态，允许任何人更改其设计。 实际上，我希望在未来一代的单手键盘或其他需要高效且直观的单手界面的设备中看到这种设计或其固有特征的变体。 从 freecadweb.org 下载最新版本的开源 FreeCAD 软件（0.20.2 版本）以加载模型。
（Luis Teia，CC BY-SA 4.0）
在此项目中使用 FreeCAD 获得的一些经验教训
- 经常保存并保存到新文件中，尤其是在进行重大修改之后，因为更新依赖项的能力通常缺乏稳健性（特别是对于具有许多草图、平面和拉伸/旋转/放样等复杂模型）。 向上修改树状结构可能很困难。
- 首先构建您的平面和草图（当有很多平面和草图时，这些是 FreeCAD 在执行方面非常稳健的任务），然后通过从这些草图拉伸/放样来添加材料。 经验告诉我，FreeCAD 可能会在具有许多复杂特征的组件中产生不稳定的结果，尤其是在使用具有四个以上草图的加法放样时。
- 使用空格键 快速显示或隐藏项目，例如平面、草图或体积。 让您的生活更轻松，并隐藏您不需要看到的内容。
- 将倒角和圆角留到最后，并记住在每次新添加的材料操作（例如，旋转扫描）中始终重叠材料（或至少使其相邻）相对于现有主体（例如，现有拉伸块）； 否则不会生成体积，您会想知道发生了什么（不会出现错误窗口）。 FreeCAD 不会在同一主体内生成两个独立的体积。
虽然商业 CAD 软件在逼真地渲染模型方面已经相当先进，但 FreeCAD 仍在发展中。 但是，有各种免费和开源渲染选项可用，包括动画软件 Blender 和 来自 OpenCascade 的 CADRays（仅限 Windows）、LuxCoreRender 和 POV-Ray。
CADRays 提供了比 Blender 更简单的界面，但它仍然是使 CAD 模型逼真照片渲染的强大选择。 它是开源的，您可以免费注册下载和使用该程序。
在 Linux 上，下载 源代码。 您需要 occt.git 和 cadrays.git 存储库。 两者都使用 cmake，因此编译过程是常用的 Cmake 咒语。
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ..
$ make存在一个简单的 GUI，允许最基本的操作。 在左侧，“场景”选项卡显示零件或组件的树状结构。 下面是控制分辨率、渲染和相机类型的设置。 在右侧，可以选择材料类型（有内置选项，例如金属和塑料），或者可以编程自定义材料。 叠加的是“变换”选项卡，允许控制零件/组件的姿态。 下面是控制照明、更改上升或方位角姿态以及更改照明颜色和背景修改的控件。 中心是一个窗口，显示模型基于当前设置的外观（因此，图像导出的外观）。 下面是一个命令界面，允许调用和使用更深入和更多种类的功能。 这可以通过键入 help 来调用。
（Luis Teia，CC BY-SA 4.0）
在此项目中使用 CADRays 获得的一些经验教训
- 在加载复杂零件之前，按 OpenGL（“渲染”选项卡的左下角）。 原因是 Monte Carlo 计算（在加载 step 文件后立即完成）会显着降低计算机速度，因为“渲染”设置设置为 GI。 使用 OpenGL，模型被简化，使处理更容易。
- 在将“渲染”从 OpenGL 切换回 GI 之前，先定向您的 CAD 零件（平移、旋转和调整），以避免在零件移动期间因滞后而感到沮丧。
- 白色背景 是通过编写命令
vsetcolorbg 255 255 255创建的 - 更精确的定向（旋转、平移和调整到窗口）可以通过使用底部的命令行来实现（键入
help获取选项），而不是使用鼠标或不提供完全控制的选项卡。 - CADRays 不会保存文件，该文件存储您使用模型完成的工作并保存您的设置，因此请务必在退出之前获得您想要的图像。 否则，您必须在下次打开程序时重复您的工作。
未来工作
当前模型仅定义了新颖设计方法产生的外部尺寸和形状。 接下来的步骤是定义内部组件（包括按键如何连接到蝶形弹簧支架）和设计内部电子设备等。 这些任务计划在未来的后续工作中完成。 最终，任何可以访问 3D 打印和电子实验室的人都应该能够创建和测试可工作原型。 或者，如果您只是一个想要感受一下单手键盘外观的爱好者，那么您可以按原样 3D 打印它，让您体验您可以多么轻松地键入句子。 如今，这项服务可以通过在线制造商店合理地获得。 对于那些想要更深入参与的人来说，单手键盘设计是开源的事实为将其商业开发为生产计算机相关设备的公司产品提供了机会。
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