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自行車可說是有史以來最偉大的交通發明之一，簡便的設計，讓男女老幼都能自由輕鬆地在城市鄉間穿梭。早在15世紀，達文西就已繪出自行車草稿，但一直要到19世紀才有人真正將自行車製造出來，今天我們就透過專利記錄，看看自行車在這兩百多年來的演變。
現代自行車鼻祖的發明人Karl Drais (1785-1851)
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根據最早的可靠記錄，現代自行車鼻祖的發明人是德國人Karl Drais，他的發明外觀十分近似現代自行車，前輪有一個可控制方向的把手，可讓車子轉彎或變換方向，不過需用雙腳蹬地才能前進。這輛木製自行車被人稱為Draisienne，意為「玩具馬」。
Karl Drais發明的Draisienne
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Drais的玩具馬在1818年傳入法國，引起一陣轟動，當時法國人稱它為 velocipede，字面意思是「快腳」，意譯是「腳蹬兩輪車」或「腳踏車」。不過關於Drais是否為最早提出腳踏車專利申請的人，目前仍有爭議，有人說美國人W.K. Clarkson, Jr.曾經申請類似的專利，但1836年美國專利局的一場大火燒掉了許多專利記錄，因此無法證實這項說法。(由於當時沒有電腦及影印設備，只能從發明人手中回收原始的專利文件，被大火燒毀的9957件專利，只挽回了2400多件，可參考新世代專利遊戲規則p18)
踏板腳踏車階段
自行車技術在1860年代出現第一次大躍進，開始有人嘗試為自行車加上驅動機構，也就是在前輪踏板裝上旋轉曲軸，為自行車提供前進動力。
此時期的腳踏車使用金屬骨架和輪胎，騎起來喀啦作響，人稱boneshaker (振骨車)，而且由於金屬打造的關係，當時的腳踏車最重可達45公斤，雖然外觀已經很像現代自行車，但齒輪比還很低，騎起來十分吃力。
第一輛踏板腳踏車的出現時間眾說紛紜，最早的記錄可能是1866年11月公告的美國專利59915號「腳踏車」(Velocipede)。這件專利請求保護的是包含兩個輪子和一個輪子驅動機構的發明，其中還包含一個車輛導向裝置和一個可讓騎士在行進期間保持平衡的部分。
美國專利59915號「腳踏車」
此外，1869年核准的美國專利89341號也提供了重大的改良設計，將滾珠軸承引進腳踏車軸承，改善踏板運動。這件設計利用離合裝置和滑輪設計，使輪軸能夠持續轉動，運動更加順暢。從代表圖看來，這款腳踏車是三輪設計。在高輪腳踏車問世之前，三輪和四輪腳踏車相當風行。
美國專利89341號「改良式腳踏車」
另有一說，蘇格蘭人 Kirkpatrick Macmillan 在1839 年曾經設計出前輪大於後輪，並加上踏板及槓桿在後輪來驅動車子的腳踏車。但這項發明並未申請專利，證據不多，而且這個說法的源頭是Macmillan的姪子，可信度值得商榷。
高輪腳踏車階段
高輪腳踏車 (High-wheeler, penny farthing, original) 是自行車在19世紀後半葉最重要的發展，特徵是前輪大後輪小，前輪變大是為了增加每踩一下踏板所能行進的距離，速度最高可達每小時20英里。另外，冶金技術的進步也使得腳踏車的重量減輕不少，攜帶更為方便。
高輪腳踏車
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高輪腳踏車採用前輪驅動，踏板設計在前輪，騎士的重心很高而且前傾，閃避障礙物時很容易失去重心，跌落輪前。當時還因此創出「倒栽蔥」(taking a header) 一詞。
美國沒有高輪腳踏車的專利記錄，不過同一時期仍有不少相關創新問世，例如1889年核准的美國專利415072號「雙人自行車」(Tandem Bicycle)，外觀設計類似至今仍偶爾可見的雙人自行車。
美國專利415072號「雙人自行車」
1886年核准的美國專利351001號「腳踏車減阻軸承」(Anti Friction Bearing for Velocipedes)，是一種滾子軸承，能夠有效減少摩擦產生的磨損。
美國專利351001號「腳踏車減阻軸承」
這兩件專利的發明人分別為William Starley和John Kemp Starley，他們都是自行車工業之父James Starley的親戚。他們一家對於自行車的發展貢獻良多。
安全自行車階段
1885年John Kemp Starley和James Starley聯手在英國推出「羅弗安全自行車」(the Rover Safety bicycle)，以鋼管製成了菱形車架，並用鏈條和齒輪驅動後輪，看起來與現今的自行車相去不遠。
羅弗安全自行車
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而在美國專利中，最早關注自行車安全設計並採後輪驅動的是1880年核准的2289996號「腳踏車」(Velocipede) 專利。有趣的是，這項發明仍然保留當時流行的大前輪設計，後輪的作用在提高車輛穩定度，防止騎士摔車。
美國專利2289996號「腳踏車」
於此同時，自行車另一個重大發展是充氣輪胎的發明，騎乘起來要比金屬或木頭輪胎舒適許多。1891年，John Boyd Dunlop申請獲准的453550號美國專利「車輛輪胎」(Tire for Vehicle-Wheels)，揭露一種製造和使用充氣輪胎的方法，該輪胎是由一條不漏氣管子和一個非膨脹管狀包覆部件組成，而該非膨脹管狀包覆部件則包含加硫橡膠以及帆布、衣料或其他材料層。
美國專利453550號「車輛輪胎」
自行車在此時期因為安全性和舒適性的改善而大為普及，第一屆自行車環法賽於1903年問世，而美國當地也出現許多自行車社團，不斷致力自行車改良，讓自行車愈來愈便利實用。
目前發展
自行車的設計和構造在20世紀幾乎沒有大太改變，雖然如此，世界各地自行車製造商仍有許多創新發明，其中大多數都在提升自行車騎士的舒適感和安全性，例如美國專利8770808號「自行車尾燈」(Bicycle Tail Light)，保護的是一種使用發光二極體 (LED) 燈源的可調式自行車燈，以及一種可以安裝至行李架、後下叉或座管的多功能安裝座，主要功能在提供更佳的光線輸出以及簡化電池更換步驟。而美國專利8770243號「自行車輪胎」(Bicycle Tire) 則是一種以發泡合成樹脂製作自行車輪胎的方法，不僅環保，而且也能防止輪胎在使用過程意外脫出鋼圈。
美國專利8770808號「自行車尾燈」
進入21世紀後，自行車也開始用起電腦處理技術。美國專利8781690號「自行車座墊位置指示器」(Bicycle Seat Position Indicator)，保護的是一種連接到控制裝置的座墊位置指示器，它會將座墊高度相對於騎士高度的訊號傳送到控制器，可以告訴騎士應該將座墊調多高。而美國專利8781663號「自行車驅動裝置」(Bicycle Drive Apparatus) 則是一種不需要變速感應器的驅動裝置，有效簡化車輛的構造。這款自行車的動力來自踏板，但微電腦會發出變速指令，使自行車齒輪自動換檔。
本文摘自”The Evolution of Bicycles: A Patent History”, by Steve Brachmann