ТРИЗ для профи и не только. Законы развития технических систем. Том 1. Издание 3-е, исправленное и дополненное бесплатное чтение

Предлагается новая классификация. В ее основе – происхождение изобретения. Она не только разделяет изобретения на группы, но и позволяет рекомендовать для каждой группы наиболее эффективные рабочие инструменты (законы и линии развития технических систем и другие инструменты ТРИЗ).

1.1. Первый уровень – пионерные изобретения

Определение: Под пионерным изобретением понимается создание технических систем и технологий, которые:

– реализуют новые функции, которые ранее не существовали; это позволяет создать и удовлетворять новые потребности, которых ранее не было8;

или

– реализуют известные функции, но на основе нового принципа действия, что позволяет удовлетворять известные потребности, но на качественно более высоком уровне.

Создание таких систем всегда является основой для появления новых направлений в технике, и даже новых отраслей промышленности. Зачастую они вызывают существенные изменения в обществе. Такие изобретения всегда открывают новые S-кривые9.

Пример

Рентгеноскопия

Главное открытие в своей жизни Конрад Рентген сделал 8 ноября 1895 года. Работая в своей лаборатории, он обратил внимание на то, что после включения тока в катодной трубке, почему-то начинает светиться покрытый слоем платиноцианистого бария бумажный экран. Причем происходило это вопреки «здравому смыслу», поскольку трубка была полностью закрыта плотным черным картоном, а значит, свет не мог проходить через него. Он выключил ток – свечение прекратилось, включил – экран снова засветился! И тогда он сделал вывод, что в трубке возникают икс-лучи, которые способны проходить через плотный материал, и заставляют флуоресцировать особые вещества. Причем в зависимости от вида материала и его толщины, преграда пропускала больше или меньше лучей. Как следствие, стало возможным анализировать структуру различных объектов. Установка, разработанная Рентгеном, выполняла совершенно новую функцию – неразрушающий анализ структуры непрозрачного объекта.

Пример

Создание гастроскопа. Прибор позволяющий видеть внутренние органы человека с использованием оптоволокна. Это породило новый метод медицинского обследования и, стало основой для новой технологии проведения хирургических операций – лапароскопии. Через 3 небольших разреза (10—15 мм), в полость живота вводятся инструменты – нагнетатель углекислого газа, подсветка и инструмент. Операция выполняется микроинструментом внутри полости.

Рисунок 2. Первый рентгеновский снимок – рука Альберта фон Келликера, 21.01.1896 года

Рисунок 3. Лапароскопическая операция

Пример

Создание LED-светильников. До этого функция освещения, путем преобразования электричества в световое излучение через нагрев вольфрамовой спирали, выполнялась лампами накаливания. Но использование светодиодов для освещения – новый принцип освещения. Это привело к развитию не только новых систем освещения, но и породило новые направления в других отраслях, например, новых способов выращивание овощей в многоуровневых теплицах и многие другие.

Рисунок 4. LED-светильник с множеством элементов; один из элементов

Пример

Химическая технология получения алюминия была известна еще в середине XX века. Но она сильно ограничивала получение этого ценного металла из-за своей дороговизны. Созданная в конце XX века технология электролиза алюминия, значительно удешевила его производство, и привела к созданию многих отраслей, в которых стал использоваться алюминий, поскольку он стал доступным по цене – (прокат, фольга, упаковка).

Основой пионерных изобретений являются:

– открытия, то есть новое знание в науке и технике;

– усовершенствование одной из подсистем (или технологии) до настолько высокого качественного уровня (скачек в развитии некоторой системы), который обеспечит создание системы с новой функцией.

В рассмотренных примерах:

Рентгеновский аппарат не смог бы быть создан без открытия Рентгеном икс-лучей (за которое он, кстати, получил Нобелевскую премию по физике за 1901 год и право на дворянский титул!).

Появление LED-светильников не могло быть сделано раньше открытия в 1960-1970-х годах желтого, белого и синего светодиодов. В свою очередь, открытия не могли бы появиться без высокого уровня развития техники и технологии выращивания кристаллов оксидов редкоземельных элементов высокой чистоты.

Гастроскопия стала возможной только при появлении световодов. Технология получения световодов появилась в 1930-х годах благодаря немецкому инженеру Генриху Ламму. А хотя сама идея полного внутреннего отражения светового потока внутри струи воды была открыта еще в середине XIX века английским ученым Джоном Тиндаллом, но она не получила промышленного применения. В 1880-х годах была предложена идея передачи светового потока в зеркальной изнутри трубы. Но уровень техники того времени был недостаточен для создания гастроскопа. И только когда Ламм разработал методику передачи светового потока в тонких световодах с полным внутренним отражением, и технологию их изготовления, стало возможным создание этого изобретения.

После этого, в 1960-х годах появилась новая медицинская технология – гастроскопия.

Рисунок 5. Световоды

Рисунок 6. Гастроскоп

1.2. Второй уровень – не пионерные системы, являющиеся основой новых S-кривых

К не пионерным системам относятся системы, выполняющие известные функции, и в которых используются только известные подсистемы и элементы, но объединение, которых позволяет создать новую систему. В ряде случаев, эта новая система обладает преимуществами, позволяющими преодолеть качественные ограничения, не позволяющие развиваться предыдущим системам, то есть порождает новые S-кривые. Именно такие изобретения относятся ко второму уровню.

Есть три пути создания изобретений второго уровня:

– замена одной из ключевых подсистем на другую, качественно превосходящую предыдущую;

– объединение двух (и более) различных систем в полисистему с образованием нового качества;

– применение системы по новому назначению.

В зависимости потребности, которую удовлетворяет новая система, от ее рынка, такие системы могут стать основой для создания целых новых отраслей техники.

Замечание: А могут и не стать! Если рынок ограниченный или специфический! Но все равно это будут изобретения второго уровня.

1.2.1. Создание новых систем, через замену одной из подсистем, на подсистему с новым принципом действия, или добавление новой подсистемы (гибридизация 1).

Новые, не пионерные системы, порождающие новые S-кривые, могут появляться, в результате того, что в известной системе одна из значимых подсистем заменяется на новую, позволяющую получить новое качество. Как правило, заменяется наименее эффективная в настоящий момент для данной системы подсистема. Или подсистема, исчерпавшая ресурс развития. Новая подсистема работает на ином (хотя уже известном ранее и используемом в других системах10) принципе действия, позволяющем получить новое качество.

Примеры

Автомобиль – немного измененная карета, в которую устанавливается двигатель внутреннего сгорания (или электрический двигатель). Обратим внимание на то, что и карета была известна, и двигатель внутреннего сгорания11 вышел на второй этап развития. Но новая система обладала более высокими потребительскими качествами по сравнению с обычной каретой. Именно поэтому и появилась новая величайшая S-кривая – автомобили.

Рисунок 7. Первый автомобиль Луи Рено. Не правда ли он очень похож на коляску?

Замечание. Еще раньше, в конце XIX века, были попытки установить на карету паровой двигатель. Но электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания выиграли конкуренцию у парового двигателя, который был слишком тяжелым.

Рисунок 8. Паровой «автомобиль», разработанный Фердинандом Вербистом в 1672 году; паромобиль Маркуазье 1894 год

Пример

Создание реактивной авиации – замена винтового двигателя на реактивный, которая со временем полностью изменило конструкцию самолета. Это была принципиально иная конструкция – новая S-кривая. Хотя, справедливости ради, отметим, что и ракетный двигатель и самолет были разработаны и использовались до создания реактивного самолета.

Пример

Беспилотные летательные аппараты – это оснащение самолетов системами управления на расстоянии; первоначально – установка системы телеметрии и замена системы управления. Однако впоследствии произошло полное изменение конструкции. Современные беспилотники совершенно не похожи на обычные самолеты – это новая S-кривая.

Рисунок 9. Истребитель-бомбардировщик А-4С и один из первых боевых беспилотников QF-4

Рисунок 10. Современный ударный беспилотник MQ-9 Reaper, 2007 год

Как это ни парадоксально, но такие значимые с точки зрения человечества новые технические системы, как автомобиль, реактивная авиация, не что иное как «простая» удачная замена одной из важных подсистем в технической системе, на качественно более совершенную. И эта замена выполнена в соответствие с известными законами развития технических систем. Они не являются пионерными системами! То есть в классификации ТРИЗ – это ГИБРИДИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Обычно, первоначальная конструкция таких гибридов – довольно механистичная замена одной системы другой или дополнение системы отсутствующим элементом (например, системы автоматического управления вместо человека, соответствие с законом вытеснения человека из системы), При этом все остальные части системы сохраняются. Однако, со временем, эта замена становится основой для радикального совершенствования всей системы. Но происходит это уже в рамках новой S-кривой (см. Раздел 2, глава 3).

Замечание: Стоит отметить, что значимость изобретения для этой группы изобретений часто определяется не только (и не столько) самим изобретением, но, в большей степени, рынком системы, и его значимостью для развития общества, то есть Потребностью, которую оно удовлетворяет (см. Раздел 1 глава 2).

Пример

Казалось бы, керосиновая лампа – это всего лишь модернизация масляной лампы, известной еще со времен Древнего Египта, которая стала использовать новое топливо – промышленно производимый керосин (неограниченный ресурс), вместо животного масла (весьма ограниченный ресурс). То есть система совсем не пионерная, и изменения не очень значительные, но изменение доступности топлива позволило резко расширить рынки. Ее появление радикально изменило общества. Клерки смогли увеличить рабочий день (особенно в зимнее время), повысились возможности образования (студенты и учёные получили возможность читать в вечернее время), работники получили возможность работать на предприятиях и мануфактурах в темное время суток, продавцы – продавать товары и т. д.

Рисунок 11. Керосиновая лампа

Важное замечание – гибридизация, в отличие от создания пионерных систем, вполне алгоритмизируемый процесс, а значит, может быть поставлен «на поток».

Поиск таких изобретений может быть выполнен, например, с использованием обычного морфологического ящика. Стоит отметить, что при работе с таким ящиком важную роль играет понимание «тенденции удешевления продуктов». Это существенно снизит психологическую инерцию при создании новых, достаточно дорогих на первом этапе, но пока неэффективных систем. В классификации Г. С. Альтшуллера это позволяет создавать изобретения четвертого-пятого уровней.

1.2.2. Простое объединение двух и более разнородных систем с последующим свертыванием (гибридизация 2).

Объединение разнородных систем позволяет создавать новые объекты.

Пример:

Видеодвойка. В видеодвойке объединены телевизор и видеопроигрыватель, с последующим свертыванием ряда узлов.

Рисунок 12. Видеодвойка – видеопроигрыватель и телевизор

Пример

В современном комбайне объединены две системы – косилка и молотилка.

Рисунок 13. Косилка и молотилка были объединены в комбайн

Пример

Пикап – гибрид грузовика и легкового автомобиля

Рисунок 14. Пикап

Пример

В современных холодильниках объединены морозильник и холодильник.

Рисунок 15. Холодильник с морозильной камерой

Техника гибридизации хорошо разработана в исследованиях В. М. Герасимова и В. О. Прушинского, и может, после приобретения небольшого опыта, быть использована рядовыми инженерами [12, 13].

Инструментами для гибридизации могут быть, хорошо проработанные на сегодня, функционально-стоимостной анализ и законы развития технических систем. Такой подход позволяет быстро и эффективно создавать изобретения второго-четвертого уровня по классификации Г. С. Альтшуллера.

1.2.3. Использование известных материалов, технических систем и технологий по новому применению.

Часто применение известных технологий порождает новые технические системы (новые S-кривые), отличающиеся от тех, которые использовали эти технологии ранее.

Наиболее ярким примером этого являются современные компьютеры. Первоначально компьютеры разрабатывались для выполнения сложных математических расчетов.

Рисунок 16. Первый компьютер IBM

Но, в какой-то момент, программисты начали использовать компьютеры для печати картинок символами. Идея была подхвачена и вскоре на компьютере стали печатать тексты, а еще через некоторое время у компьютеров появилась масса новых применений. Теперь математические вычисления – один из узких рынков из всех применений компьютеров. Разумеется, и сама система при этом претерпела существенные изменения.

Грамотные изобретатели, анализируя систему, всегда будут искать ресурсные функции, специфические свойства и характеристики системы, которые пока никак не используются и которые удовлетворяют другие, новые потребности. Затем они постараются создать новые системы, в которых эти функции будут гипертрофированно развиты, и постараются подобрать для них новые рынки12.

Пример

В марте 1853 года сестра Леви Страусса пригласила его погостить в Калифорнию. В это время Сан-Франциско была знаменитая золотая лихорадка, и массы старателей стремились в Калифорнию в надежде обогатиться. Шурин Страусса решил подзаработать, и попросил Леви прихватить с собой парусины, которую хотел использовать для шитья палаток. Благо,

Рисунок 17. Фирменная этикетка Леви Страусс

в то время, в связи с переходом флота от парусников к пароходам, парусина резко подешевела. Однако, когда Леви приехал в Калифорнию, выяснилось, что спроса на палатки нет, зато у старателей большая проблема с одеждой, которая быстро протиралась и портилась. Предприимчивый Страусс сообразил, что парусина может быть использована по другому назначению, и начал шить из привезенной парусины штаны. Это и были первые джинсы! Неожиданно новая одежда стала пользоваться большим спросом. В 1873 году он с Джекобом Девисом получил патент на «Комбинезон без верха», и учредил компанию «Леви Страусс».

Пример

Основным продуктом, который получали перегонкой из нефти, в конце XIX века был керосин, который использовали в керосиновых лампах. Более легкую фракцию нефти – бензин или сжигали, или сливали в овраги и реки. Незначительная часть бензина поступала в аптеки, и использовалась как антисептик. Ситуация резко изменилась, когда бензин получил новое применение – топливо для двигателей внутреннего сгорания. Теперь, мало кто представляет, что раньше бензин был не более чем отходами керосинового производства.

Пример

Первоначально магнетрон, изобретение британских физиков Джона Рэндалла и Гарри Бута, созданный в 1940 году, был применен в радарах, способных эффективно наблюдать за небом в поисках самолетов. Этими разработками занималась во время Второй Мировой войны, и сразу после нее, американская компания Рэйтеон13.

Но, вскоре после войны, финансирование оборонных разработок сократилось, и перед инженерами была поставлена задача – найти новые рынки для продукции компании. Тут инженер компании Пэрси Спенсор вспомнил, что как-то, когда он работал с магнетроном, у него в кармане расплавился шоколадный батончик. Он повторил эксперимент и понял, что магнетрон можно использовать для нагрева предметов. Так появилась идея создания микроволновых печей.

Первая печь весила около 340 килограмм, стоила около 3 000 долларов (в то время колоссальные деньги; например, это была стоимость среднего дома или элитного «Кадиллака»! ). Поэтому новые печи использовались только в ресторанах. Но, после ряда усовершенствований и удешевлений, ее вес уменьшился до 10—15 килограмм, а цена снизилась к настоящему времени до 20—150 долларов. Рынок стал массовым, а микроволновая печь стала обязательным предметом почти в каждом американском доме.

Рисунок 18. Магнетрон (разрез)

Традиционно новое применение находят различным материалам, если неожиданно выявляется, что они обладают свойствами, полезными для других целей…

Пример

Ванилин – известная специя, применяемая в кондитерской промышленности. Но он же замечательный и единственный безопасный репеллент от комаров и гнуса для грудных детей.

Рисунок 19. Первая серийная микроволновая печь весила 340 килограмм и использовалась в ресторанах

Пример (быль)

В аптеку заходит прапорщик и просит продать ему 100 презервативов. На вопросительно-восторженный взгляд продавщицы он поясняет:

– Рота едет на полевые учения без стрельб. А презерватив одеваем на ствол автомата, чтобы грязь не попала. Потом чистить ствол не надо будет!

1.3. Третий уровень – изобретения, созданные в рамках одной S-кривой

(в соответствие с законами развития, с разрешением противоречия)

Если пионерные и крупные не пионерный изобретения, связаны с появлением систем, открывающих новые S-кривые, то менее значимые по уровню изобретения (но часто расширяющими возможности применения системы, ее рынки) связаны с решениями, развивающими систему в рамках одной S-кривой.

К таким решениям могут относиться;

– динамизация элементов системы и технологии (часто с преодолением противоречий);

Пример

Динамизация фар позволяет спрятать их, когда они не нужны, чтобы не повредить их и не испачкать.

Рисунок 20. Динамичные фары

Пример

Динамизация контактов в вилке позволяет сделать ее более компактной, при транспортировке или хранении.

Рисунок 21. Динамичная электрическая вилка

Пример

Динамизированная тележка, удобна при хранении, но легко раскрывается для перевозки груза.

Рисунок 22. Складывающуюся тележку удобно хранить дома или в гараже

– согласование ритмики работы системы, ее характеристик и т. п.

Пример

Размер конфорок электроплиты согласовывается с диаметром дна кастрюлек, в которых готовится пища.

Рисунок 23. Электроплита с конфорками разного размера

– добавление в систему дополнительных и вспомогательных подсистем, расширяющих возможности ее и улучшающих качество функций, которые она выполняет.

Пример

В израильских танках «Меркава» установлены кондиционеры. Эта система позволяет воевать более эффективно в условиях жаркого климата Ближнего Востока.

Рисунок 24. Танк Меркава 1

Подробно об использовании законов динамизации элементов системы и технологии, согласования-рассогласования, развертывания-свертывания при совершенствовании систем можно прочитать в книге серии «ТРИЗ для чайников» «Законы развития технических систем», том 2 [5]. Мощным инструментом для таких изобретений становятся микростандарты, описанные в законах развития технических систем [5, 15].

1.4. Четвертый уровень – конструкторско-технологическая оптимизация

Часто значительное повышение степени идеальности системы обеспечивается простой инженерной работой, в рамках известных инженерных знаний.

Определение: Конструкторско-технологическая оптимизация – это улучшение системы за счет изменения материалов, оптимизации конструкции системы и ее элементов, без разрешения противоречий.

Этот уровень, в понимании многих тризовцев, не является изобретательским, поскольку не разрешается техническое противоречие, или разрешается примитивное противоречие очевидными способами. Часто это уровень рационализаторского предложения. Но иногда даже эти решения могут быть защищены патентами, а главное, они могут быть очень эффективными с экономической точки зрения. Реализуются же они в рамках известных тенденций развития в рамках закона повышения степени идеальности.