文/東北大學(xué)機械學(xué)院 趙新軍 吳雙

基于TRIZ理論的鎖的成長發(fā)展分析

文/東北大學(xué)機械學(xué)院 趙新軍 吳雙

圖1.中國古代鎖具

圖2.凸輪轉(zhuǎn)片鎖

圖3.彈子鎖a鎖具結(jié)構(gòu)圖

b鎖具剖面圖

一、引言

鎖，是一種歷史十分悠久的發(fā)明，它幾乎與私有制同時誕生，它的發(fā)展從某種意義上說是一種歷史的見證。在遠古時代，聰明的人類已懂得把個人貴重的物品用獸皮包起來，外面用繩索捆縛，最后在開啟處打上特殊的繩結(jié)。而繩結(jié)只能用一個叫“骨錯”的工具才能挑開。繩結(jié)和骨錯，就是鎖和鑰匙的雛形。那時的人類所要保護的僅僅是食物、工具等一些在現(xiàn)代人看來并不十分重要的物品，而鎖的發(fā)展在一定程度上也代表了人類對貴重物品定義的逐漸轉(zhuǎn)變和對隱私、財產(chǎn)安全保護重視程度的加深。鎖，在人類文明社會里發(fā)揮著“拘系束縛”的功能，規(guī)范著社會行為，捍衛(wèi)著人們的生命財產(chǎn)安全，維護著社會的穩(wěn)定?；仡欐i的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)，鎖在不斷地復(fù)雜化、高端化，并且逐漸由大處繁衍到細微之處。隨著時代的發(fā)展和人心的復(fù)雜，人們的防備心理越來越強，個人領(lǐng)域劃分愈加明確，而鎖的發(fā)展與此同時變得至關(guān)重要了。

二、鎖的誕生與發(fā)展演變

1.概述

鎖具的發(fā)展在歷史的長河中只占據(jù)了一個十分微小的位置，但它卻是人類智慧進步的證明。最早的鎖，是主人為防他人開啟而設(shè)的簡單機關(guān)，應(yīng)用于門上最簡單的鎖就是門閂了。我國古代有石鎖，并無鑰匙，是以繩索或鐵鏈束縛。商周時期，生產(chǎn)資料私有制進一步發(fā)展，產(chǎn)生了貧富差距，出現(xiàn)了社會矛盾，與此同時，冶煉技術(shù)成熟并被立即應(yīng)用于制鎖行業(yè)，于是，出現(xiàn)了用鑰匙才能開啟的銅鎖、鐵鎖，因鑰匙的不同而匹配不同的鎖。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，機械鎖也有了長足的發(fā)展。現(xiàn)代機械鎖已具有了100多年的歷史，鎖芯里加入了長短不一的彈子，要用外形與之相應(yīng)齒形的鑰匙才能打開。之后，又逐步進化發(fā)展出了密碼鎖、磁性鎖、電子鎖、激光鎖、聲控鎖等。在傳統(tǒng)鑰匙的基礎(chǔ)上，加了一組或多組密碼，以不同聲音、不同磁場、不同聲波、不同光束光波、不同圖像如指紋、眼底視網(wǎng)膜等來控制鎖的開啟。

2.歷史發(fā)展

中國鎖具歷史悠久，據(jù)出土文物考證和歷史文獻記載，鎖具發(fā)展至今已有5000多年的歷史。新石器時期仰韶文化之“骨錯”、“石錯”就是鎖鑰的雛形。到了公元前3000年，我國先民創(chuàng)造了裝在木結(jié)構(gòu)框架建筑上的木鎖。這是我國也是世界上最古老的鎖具，可稱得上是“世界第一鎖”。以后隨看社會的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，人們又創(chuàng)造了銅鎖、鐵鎖、銀鎖、玉鎖等不同質(zhì)材、不同形狀的鎖，工藝技巧越來越高。我國的簧片結(jié)構(gòu)鎖最早出現(xiàn)在秦漢時期。東漢時，中國鐵制三簧鎖的技術(shù)已具有相當高的水平并且沿用了1000多年。明清時代是中國古鎖的鼎盛時期，以銅質(zhì)和鐵質(zhì)為主，但漸漸地中國古鎖（圖1）隨著科技的發(fā)展地位漸輕。

18世紀初英國人D?波特發(fā)明了凸輪轉(zhuǎn)片鎖（圖2）。其鑰匙編號由三簧鎖的20多種發(fā)展到80多種。到了19世紀中葉，歐洲制造商在凸輪轉(zhuǎn)片鎖和三簧鎖的基礎(chǔ)上改制成了滑動轉(zhuǎn)片鎖，其鑰匙編號可達1600種。1848年，美國人L?耶爾發(fā)明了采用圓柱形銷栓的彈子鎖，該鎖已成為世界上使用最普遍的鎖。現(xiàn)代彈子鎖（圖3）的結(jié)構(gòu)又有了新的發(fā)展，出現(xiàn)雙向、三向、四向彈子結(jié)構(gòu)，以及平面、雙面、多面、雙排雙面、多排多面彈子結(jié)構(gòu)和組合彈子結(jié)構(gòu)，從而大大提高了鎖的保密性能，使鎖的編號由原有的2500種通過“向”、“面”的變化達到百萬種。上世紀50年代，成本較低的焊鉤鎖、葉片鎖（圖4）、彈子鎖陸續(xù)進入我國市場，中國古鎖從此退出了歷史舞臺。到了20世紀70年代，隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了磁控鎖、聲控鎖、超聲波鎖、紅外線鎖、電磁波鎖、電子卡片鎖、八佰指紋鎖、視網(wǎng)膜鎖、遙控鎖等。

3.材料和結(jié)構(gòu)發(fā)展

鎖的發(fā)展在材料方面緊隨時代進步。從石器時代在大自然中獲取的石材，到打獵時獲取的骨頭，人類利用手邊的資源構(gòu)筑了鎖王國的大門。木質(zhì)材料雖然相對脆弱，但卻是在古代甚至是近現(xiàn)代相對貧窮地區(qū)會選擇的一種。自從冶金技術(shù)全面發(fā)展開始，鎖具的材料就幾乎是被定義為金屬材質(zhì)，通過鎖具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷精致、復(fù)雜化來增強鎖的嚴密性，而在此之前，人們大多是通過材質(zhì)的轉(zhuǎn)變來達到這一目的的。在結(jié)構(gòu)和開鎖方式上，鎖具的發(fā)展經(jīng)歷了一個由簡到繁再到簡的過程。由最初的僅用簡單鑰匙開的鎖，到繁雜的密碼鎖或是配合復(fù)雜形態(tài)鑰匙的鎖，現(xiàn)在到指紋鎖、視網(wǎng)膜鎖，這是從利用機械結(jié)構(gòu)到利用生物獨特性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在很多電子產(chǎn)品都趨近于智能化、人性化，而在鎖具方面也將實現(xiàn)解鎖方式的智能化、個性化。

三、鎖的技術(shù)發(fā)展及TRIZ理論分析

在鎖具的進步和轉(zhuǎn)變的過程中充斥著科學(xué)和人類智慧的影響，例如為了增加鎖的結(jié)實程度并且將一容易移動的物體與另一物體暫時結(jié)合，將木質(zhì)門閂改進成金屬鎖具并引入鑰匙的概念這一改進方式，在TRIZ理論的40條發(fā)明創(chuàng)造原理中就應(yīng)用了第40條“復(fù)合材料原理”和第24條“中介物原理”。

隨著時代的進步，人們不再滿足于單純的基本需求，而是開始追求生活品質(zhì)，開始關(guān)注事物的美丑、關(guān)注產(chǎn)品的舒適與否，至此鎖具外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也開始因人類需求的改變而改變。為了增加鎖具的結(jié)構(gòu)強度并使它更符合人機工程學(xué)，聰明的制造者將鎖具的直線和平面部分用曲線或曲面代替，立方形用球形代替，這樣球形鎖(圖5)便誕生了。在很長一段時間內(nèi)，球形鎖被大量應(yīng)用于臥室等室內(nèi)門鎖處，直至新的室內(nèi)設(shè)計風(fēng)格的出現(xiàn)，這股熱潮才漸漸冷卻，但這種曲線化的替換形式借鑒了第14條“曲面化的原理”。

當然，對于鎖具來說最重要的并不是外觀，而是它的保密性。為了達到增強鎖的保護性，即加強精度的目的，制作者在普通鎖與特殊精密鎖間進行了結(jié)構(gòu)方面的改進，設(shè)計者轉(zhuǎn)換思維，將傳統(tǒng)意義上的增加鑰匙的復(fù)雜度改為增加鎖的復(fù)雜度，用記憶數(shù)字或圖形的方式作為鎖具輸出端，代替了復(fù)雜的機械零件調(diào)節(jié)。這種向密碼鎖方面的發(fā)展也可以說是與反向作用原理有著異曲同工的效果。密碼鎖分為很多種，它們大都被應(yīng)用于保險箱等小型器具上，但無論是哪一種，其目的都是通過增加記憶的數(shù)位而增加破解難度。對于將多個密碼器調(diào)節(jié)的多位密碼鎖（圖6a）改為一體多位式密碼鎖（圖6b）這一問題，無疑是在沒有降低破解難度的情況下減小了鎖具的體積，這一點是對“組合/合并原理”的運用，同時它也為鎖具外觀的不斷簡化做出了貢獻。

大概密碼鎖真的很好用，漸漸地，制造者希望能將這種技術(shù)加以普及，他們希望改良密碼鎖費力費時的手動對碼方式，將手動對碼改為直接輸入數(shù)字，由機械改進為虛擬數(shù)字化。在TRIZ理論中，“替代機械系統(tǒng)原理”這一理論剛好適用于機械鎖到虛擬數(shù)字鎖的進化。

在按鍵式數(shù)字鎖（圖7a）被應(yīng)用后，人們迅速發(fā)現(xiàn)了其弱點并予以改進。為了增加密碼鎖按鍵使用壽命，制造者利用TRIZ理論的“參數(shù)變化原理”，將按鍵式改為觸摸屏式（圖7b），這同樣是借鑒了由按鍵手機到觸屏手機的發(fā)展趨勢。這種形式不僅使得鎖具向著高端化發(fā)展，同樣也迎合了新時代年輕人對新興科技的追求。

圖4.四方葉片鎖

圖5.球形鎖

圖6.機械密碼鎖

b一體多位式密碼鎖

說到新興科技，人們一定早已經(jīng)對指紋鎖、虹膜鎖等利用生物獨特性工作的鎖有所了解。這些并不是天方夜譚而是真實存在的，只不過現(xiàn)在并沒有進行普及罷了。這種將輸入密碼開鎖改進為自動檢測的形式，從鎖的功能上解決了怎樣既增加鎖具精密程度又讓使用者更省力的問題。從長遠角度來看，未來向著這種不需要鑰匙也不需要復(fù)雜記憶的開鎖方式發(fā)展的可能性很大，而這種改進則是利用了TRIZ理論中的“反饋原理”。

圖7.電子密碼鎖

b一體多位式密碼鎖

圖8.生物特征防盜鎖

b觸摸屏式

圖9.遙控鎖

圖10.人體身份識別

b人體二維碼

四、未來鎖具的發(fā)展趨勢

鎖發(fā)展的目的是逐步實現(xiàn)人們對鎖具能夠“開得方便，鎖得安全”的這兩項目標，而鎖具智能化就是目前技術(shù)對此的最完美表現(xiàn)。現(xiàn)在的電子智能鎖很多，除了消費者比較熟悉的遙控鎖、密碼鎖、卡鎖外，指紋鎖（圖8 a）、虹膜鎖（圖8 b）等生物特征防盜鎖作為新一代識別技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢。尤其是年輕的消費群體，對電子智能技術(shù)非常認可，這類鎖具方便、安全的優(yōu)勢也逐漸得到認可?？ㄊ椒辣I鎖在消費者中使用較為廣泛，它主要分為接觸式和非接觸式兩種，且具備自動閉鎖功能。而遙控鎖（圖9）存在丟失鑰匙的風(fēng)險，鍵盤鎖主要應(yīng)用于保險箱、保險柜等私人存儲設(shè)備中，生物特征類鎖具除了家庭使用外還廣泛用于金融行業(yè)中。對于家居智能系統(tǒng)，目前最先進的是電子防盜報警鎖，其綜合了防盜鎖和報警器的優(yōu)勢特點，在遇到撬鎖或者技術(shù)開鎖時就會自動報警并啟動自動閉鎖功能，閉鎖后除非將鎖體破壞，否則鎖不會被打開。

隨著技術(shù)的不斷進化，不久的將來，開鎖有可能全方位使用人體指數(shù)。這樣既可以使使用者開鎖“開得方便”，又能防止大多數(shù)的偷盜行為，完成“鎖得安全”這一目標。從有關(guān)鎖具的專利數(shù)目上來看，未來虛擬鎖是重要的發(fā)展方面之一，我國有關(guān)這類鎖具的專利數(shù)目目前還比較少，有一定的發(fā)展空間。在生物鎖方面有可能發(fā)展到DNA檢測鎖，面部掃描鎖，體溫、氣味或身體機能測試鎖。就像科幻電影中常常出現(xiàn)的對未來情節(jié)的設(shè)想那樣，現(xiàn)在的技術(shù)也在一點點地完善，已經(jīng)有一部分芯片被注射到動物體內(nèi)用于動物的識別或是身體機能測試，而人體芯片技術(shù)也正在被逐漸推廣和應(yīng)用到其他的潛在領(lǐng)域，甚至在某些國家已經(jīng)應(yīng)用到了醫(yī)療等領(lǐng)域。相信相關(guān)技術(shù)人員正在不斷地改進，而人體身份證（圖10 a和b ）或識別碼在未來也是有可能被使用在鎖具上，這種識別技術(shù)如果應(yīng)用到開鎖方面，相信必將是一種技術(shù)性突破。

五、結(jié)論

目前，電子產(chǎn)品在智能化、個性化方向的發(fā)展趨于成熟，而智能化的相關(guān)技術(shù)也將逐步應(yīng)用于其他領(lǐng)域，產(chǎn)品的智能化發(fā)展是產(chǎn)品進化的趨勢。鎖具行業(yè)想要跟上時代步伐，發(fā)展智能化、個性化必不可少。從鎖具的歷史演變過程來看，它是漸近而混合發(fā)展的趨勢，沒有哪一種結(jié)構(gòu)的鎖具能在較短的時期內(nèi)完全徹底地代替另一種結(jié)構(gòu)的鎖具。在未來，相信鎖具會逐漸脫離鑰匙的束縛，將生物類密碼融入開鎖方式，完善鎖具“鎖的安全，開的方便”的目標。因此，未來鎖具系統(tǒng)的智能化和生物個性化將是鎖具發(fā)展的突破口和重點所在。當然，無論鎖具技術(shù)如何快速發(fā)展，我們希望社會更加和諧，人們互相信任，無需鎖具之類的產(chǎn)品。

[1]趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論（TRIZ）及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.5

[2]盧岳.智能家居，不接地氣？[N].消費日報

[3]中國知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)，www.cnipr.com

[4]鎖具—百度百科，http://baike.baidu. com/view/1346508.htm?fr=wordsearch

[5]鎖—360百科，http://baike.so.com/ doc/1568675.html

[6]中國鎖具網(wǎng)，www.chinaimnet.com

[7]圖片來源：www.image.baidu.com

[8]常祖蔭.鎖具發(fā)展形勢與發(fā)展對策[J].《新型建筑材料》1995年第11期

責編/王蒙