笔者经常碰到这样的问题,研发人员苦于难以产生新的技术创意,询问笔者是否有这样一种工具,能够帮助技术人员解决工作中的技术难题,并快速形成专利方案。

可喜的是,的确存在这样一种工具:TRIZ。这是一项世界级的创新方法。有个评论是这样说的:“你可以等待100年获得顿悟,也可以利用这些原理15分钟解决问题。

TRIZ翻译为中文的意思是“发明问题解决理论”,其英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems,英文缩写为TSIP。TRIZ是拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的词头缩写。

前苏联人Altshuller(阿奇舒勒)在专利局工作,在处理世界各国著名的发明专利过程中,他总是考虑这样一个问题:当人们进行发明创造、解决技术难题时,是否有可遵循的科学方法和法则,从而能迅速地实现新的发明创造或解决技术难题呢?Altshuller发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡,是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律,就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。以后数十年中,Altshuller穷其毕生精力致力于TRIZ理论的研究和完善。在他的领导下,前苏联的研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体,分析了世界近250万份高水平的发明专利,总结出各种技术发展进化遵循的规律模式,以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则。

20世纪80年代中期前,该理论对其他国家保密,80年代中期,随着一批科学家移居美国等西方国家,逐渐把该理论介绍给世界产品开发领域,对该领域已产生了重要的影响。苏联解体后,大批TRIZ研究者移居美国等西方国家,TRIZ流传于西方,受到极大重视,TRIZ的研究与实践得以迅速普及和发展。西北欧、美国、台湾等地出现了以TRIZ为基础的研究、咨询机构和公司,一些大学将TRIZ 列为工程设计方法学课程。经过半个多世纪的发展,如今TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系,工程实用性强,并经过实践的检验,如今它已在全世界广泛应用,创造出成千上万项重大发明,为知名企业取得了重大的经济效益和社会效益。

TRIZ理论广泛应用于工程技术领域,并已逐步向其他领域渗透和扩展。应用范围越来越广,由原来擅长的工程技术领域分别是向自然科学、社会科学、管理科学、生物科学等领域发展。已总结出的40条发明创造原理在工业、建筑、微电子、化学、生物学、社会学、医疗、食品、商业、教育的应用案例,用于指导各领域遇到问题的解决。

在美国的很多企业特别是大企业,如波音、通用、克莱斯勒、摩托罗拉等的新产品开发中得到了应用,创造了可观的经济效益。

据统计,2003年,三星电子采用 TRIZ 理论指导项目研发而节约相关成本 15 亿美元,同时通过在67个研发项目中运用 TRIZ 技术成功申请了52项专利。仅仅一项创新技术就能对一个跨国企业产生如此大的影响,这种情况是不多见的,TRIZ的创始人 G. S. Altshuller 对此也始料未及。

从1997年三星引入TRIZ理论到2003年的近7年时间里,三星应用TRIZ 取得了显著的创新成果,但很多创新环节仍然需要 TRIZ 专家的协助才能完成,而且这些专家往往都有十年以上的TRIZ应用经验并通晓不同的工程领域。我们因此称三星的这种创新模式为“专家辅助创新”。

相对于传统的创新方法,比如试错法,头脑风暴法等,TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理,着力于澄清和强调系统中存在的矛盾,而不是逃避矛盾,其目标是完全解决矛盾,获得最终的理想解,而不是采取折衷或者妥协的做法,而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程,而不再是随机的行为。实践证明,运用TRIZ理论,可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。它能够帮助我们系统的分析问题情境,快速发现问题本质或者矛盾,它能够准确确定问题探索方向,突破思维障碍,打破思维定势,以新的视觉分析问题,进行系统思维,能根据技术进化规律预测未来发展趋势,帮助我们开发富有竞争力的新产品。

在TRIZ工具中,最终理想解(IFR)是其中重要的一种思维方法。IFR是解决问题的关键所在,很多问题的IFR被正确理解并描述出来,问题就得到了解决。设计者的惯性思维常常让自己限于问题当中不能自拔,解决问题大多采用折中法,结果就使问题时隐时现让设计者叫苦不迭。而IFR可以帮助设计者跳出思维的怪圈,以IFR这一全新角度来重新认识定义问题,得到与传统设计完全不同的问题的根本解决思路。

IFR使用原则:①保持原系统的优点;②消除原系统的不足;③不使系统变得更复杂;④不引入新的缺陷。

IFR使用技巧1:尽量利用现有的能量和资源实现有用功能,一方面能够“自我服务”来实现有用功能,另一方面又能够“自行”消除有害的、不足的或过度的作用;还要善于利用“聪明”的材料或物质。

IFR使用技巧2:首先抛开各种客观限制条件,设定IFR,从IFR反推回到现实问题,寻求解决方案。

IFR的使用步骤如下:

(1)设计的目的是什么?

(2)理想的解决方案是什么?

(3)达到理想解决方案的障碍是什么?

(4)如何使障碍消失?什么资源可以帮助你?

(5)其他领域有类似的解决办法吗?

 

下面以割草机为例,对IFR的使用方法进行说明。

第一步:设计的最终目的是什么?

【回答】得到平整漂亮的草坪。

第二步:理想的解决方案是什么?

【回答】草坪自我实现平整漂亮。

第三步:达到IFR的障碍是什么?

【回答】草不停地生长。

第四步:如何使障碍消失?什么资源可以帮助你?

【回答】草的生长可以控制;可用的资源是草。

第五步:在其他领域有类似的解决办法吗?

【回答】农业领域中农作物生长高度的控制。

 

最终得到解决方案:培育能够控制生长高度的草种,草坪自我保持平整漂亮,不再需要割草机!

 

从上述例子中可以看出,对于“可用的资源”的总结是非常重要的,下面再举一下例子:密封药瓶。

当密封一个药瓶时,把火苗对准瓶口。在火苗作用下虽然药瓶被密封了,但药瓶因过度受热,里面的药液会变质。如何解决这个问题呢?

在这个问题中,我们尝试对这个中间的可用资源进行整理,将密封药瓶的工艺流程、使用材料、工作环境等相关因素整理如下:

利用子系统资源,可能的解决方案有:通过改变药瓶的材料特性使药液免于受热;通过改变药品与药瓶材料之间的相互作用,防止药瓶的热传至药液。

利用超系统资源,可能的解决方案有:通过改变药瓶在支架上的放置方式,使瓶口散失药瓶的过热;通过改进支架的形状,防止药瓶过度受热;使用喷焰器的气体冷却药品。

从系统过去状态来考虑,可能的解决方案有:药液装入药瓶时,预先对药液实施冷却。

从系统未来发展的角度,可能的解决方案有:寻找包装药品的新方法,使药瓶的密封没有必要,或不再使用火焰高温密封。

TRIZ理论的基本原理包括以下6条:

1.所有的工程系统服从相同的发展规则。

2.像社会系统一样,工程系统可以通过解决冲突而得到发展。

3.任何一个发明或创新的问题都可以表示为需求和不能(或不再能)满足这些需求的原型系统之间的冲突。

4.为探索冲突问题的解决方案,有必要利用专业工程师尚不知道或不熟悉的物理或其他科学与工程的知识。技术功能和可能实现该功能的物理学、化学、生物学等效应对应的分类知识库可以成为探索冲突问题解的指针。

5.存在评价每项发明创造的可靠判据。这些判据是:

(1)该项发明创造是否是建立在大量专利信息基础上的?基于偶然发现的少数事例的发明项目不是严肃的研究成果。事实证明,一项重大或重要的发明项目通常是建立在不少于1万到2万项专利(或知产权/版权)研究的基础上。

(2)发明人或研究者是否考虑过发明问题的级别?大量低水平的发明不如一项或少量高水平的发明。

(3)该项发明是否是从大量高水平的试验中提炼出来的结论或建议?

6.在大多数情况下,理论的寿命与机器的发展规律是一致的。因而,“试凑”法很难产生两种或两种以上的系统解。

TRIZ认为,一个问题解决的困难程度取决于对该问题的描述或程式化方法,描述越清楚,问题的解就越容易找到。TRIZ中,发明问题求解的过程是对问题不断描述、不断程式化的过程。经过这一过程,初始问题最根本的冲突被清楚地暴露出来,能否求解已很清楚,如果已有的知识能用于该问题则有解,如果已有的知识不能解决该问题则无解,需等待自然科学或技术的进一步发展。该过程是靠ARIZ算法实现的。

通过对超过250万项专利中挑选出4万项典型专利进行研究,TRIZ理论总结出40个发明原理。笔者在给企业研发人员培训的过程中,经常利用这些原理现场解决一些技术问题,因此,本书下面将花较多篇幅为每个原理都列出两个例子,虽然略显枯燥,但是希望读者能够耐心地一条一条地看完。需要注意的是,以下例子中的大部分都来自于专利技术,但是一些技术产生得比较早,读者可能习以为常,所以希望阅读时能够想象在这些技术还没有出现时的思维状态,这样做收获更大。

No. 1  “分割”

(1)用个人计算机代替大型计算机

(2)用百叶窗代替整体窗帘

No.2“抽取”

(1)将嘈杂的压缩机放在室外

(2)用狗叫声作为报警器的警声(不用养一条真正的狗)

No.3“局部质量”

(1)带有起钉器的榔头

(2)三键模式的电脑鼠标

No.4 “非对称”

(1)具有非对称搅拌叶片的水泥搅拌车(可提高混合效果)

(2)开口扳手(见下图)

No. 5“合并”

(1)集成电路板上的多个电子芯片

(2)冷热水龙头

No.6 “多用性”

(1)多用雨伞

(2)将汽车上的小孩安全座位转变成小孩推车

No.7“套装”

(1)收音机的伸缩天线

(2)汽车安全带卷收器

No.8“重量补偿”

(1)用气球携带广告条幅

(2)飞机机翼的形状使其上部空气压力减少,下部压力增加,从而产生升力

No.9 “预加反作用”

(1)缓冲器

(2)浇混凝土之前的预压缩钢筋

No.10 “预操作”

(1)不干胶带

(2)停车位的咪表

No.11“预先应急措施”

(1)汽车安全气囊

(2)应急电路照明

No.12“等势性”

(1)运河上,在两个不同高度的水域之间设置水闸

(2)电子线路设计中,避免电势差大的线路相邻

No.13 “逆向思维”

(1)为了松开粘连在一起的物体,不是加热外部件,而是冷却内部件

(2)使工件旋转,刀具固定

No.14“曲面化”

(1)螺旋形楼梯

(2)甩干洗衣机

No.15“动态化”

(1)可调整座椅、可调整反光镜

(2)笔记本电脑

No.16“不足或超额行动”

(1)油印印刷时,滚筒涂布全表面的印油,印刷到纸张上的是需要的字体部分,其他的印油被蜡纸所阻挡

(2)表面贴装技术的锡膏印刷工艺,锡膏印刷机的刮刀涂布是全面积的锡膏,而印刷到电路板上的只是钢网开孔对应的焊盘上,其他的被钢网阻挡

No.17 “维数变化”

(1)双面印制电路板

(2)立体车库

No.18“振动”

(1)电动剃须刀

(2)用超声波共振来粉碎胆结石或肾结石

No.19 “周期性动作”

(1)用变幅值与变频率的报警器代替脉动报警器

(2)医用心肺呼吸系统中,每5次胸腔压缩后进行1次呼吸

No.20 “有效运动的连续性”

(1)打印机的打印头在回程过程中也进行打印

(2)在工厂里,使处于瓶颈地位的工序持续地运行,达到最好的生产步调

No.21“紧急行动”

(1)牙医使用高速电钻,避免烫伤口腔组织

(2)快速切割塑料,在材料内部的热量传播之前完成,避免变形

No.22“变害为利”

(1)电解海水产生金属,产生的氯气回收制消毒液

(2)森林灭火时用逆火灭火

No.23“反馈”

(1)声控喷泉、用于探测火与烟的热/烟传感器

(2)飞机接近机场时,改变自动驾驶系统的灵敏度

No.24“中介物”

(1)用拨子弹琴

(2)饭店上菜的托盘

No.25 “自服务”

(1)自清洁玻璃、自动饮水机

(2)包装材料的再利用

No.26“复制”

(1)虚拟驾驶游戏机

(2)用卫星照片代替实地考察

No.27“廉价替代品”

(1)一次性纸杯

(2)一次性医药用品

No.28“机械系统的替代”

(1)天然气中混入难闻的气体代替机械或电子传感器来警告人们天然气的泄漏

(2)为了混合两种粉末,使其中一种带正电荷,另一种带负电荷

No.29“气动与液压结构”

(1)充气床垫

(2)把车辆减速时的能量储存在液压系统中,然后在加速时使用这些能量

No.30 “柔性壳体或薄膜”

(1)薄膜开关

(2)鸡蛋专用箱

No.31“多孔材料”

(1)充气砖、泡沫材料

(2)药棉

No.32 “改变颜色”

(1)在冲洗照片的暗房中使用红色暗灯

(2)在半导体的处理过程中,采用照相平版印刷术将透明材料改成实心遮光板

No.33“同质性”

(1)用金刚石切割钻石

(2)使用与容纳物相同的材料来制造容器(减少发生化学反应的机会)

No.34“抛弃与修复”

(1)可降解餐具

(2)自动铅笔

No.35“参数变化”

(1)洗手液

(2)排气系统中的软连接

No.36“相变”

(1)利用相变材料制作的降温服

(2)水在冰冻后会膨胀,可以用于爆破

No.37“热膨胀”

(1)双金属片传感器

(2)在过盈配合装配中,冷却内部件,加热外部件,装配完成后恢复常温,两者实现紧配合

No.38“加速强氧化”

(1)水下呼吸系统中存储浓缩空气

(2)用氧气-乙炔火焰高温切割

No.39“惰性环境”

(1)霓虹灯

(2)高保真音响中添加泡沫用于吸收声音振动

No.40“复合材料”

(1)钢筋混凝土结构

(2)混纺地毯(具有更好的阻燃性能)

以上40个发明原理有两种使用方法:第一,碰到技术问题难以解决时,对照前面的发明原理列表逐一思索解决思路;第二,研究手头可用资源及零部件时,根据这些发明原理,从多角度拓宽思路。