楊生紅，嚴 軍，郭 強

(青海大學 機械工程學院，青海 西寧 810016)

當今時代作為一個知識經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，創(chuàng)新已經(jīng)成為促進經(jīng)濟和社會發(fā)展的內(nèi)在力量，創(chuàng)新能力也已成為衡量一個國家和企業(yè)綜合實力的重要指標。提高創(chuàng)新能力、拓展創(chuàng)新思維和運用創(chuàng)新方法不僅能夠為企業(yè)提供技術(shù)驅(qū)動力，也對人類文化的傳承和技術(shù)方式的變革起到重要的作用[1]。工業(yè)設(shè)計作為一門體現(xiàn)人類技術(shù)和文化結(jié)晶的重要學科，其創(chuàng)新性便是學科的靈魂所在，無論是新、舊石器時代的砍斫器，還是農(nóng)耕生產(chǎn)時代的生產(chǎn)工具，亦或是二戰(zhàn)后期美國的流線型設(shè)計，自始至終都以產(chǎn)品的創(chuàng)新性為關(guān)鍵特征。TRIZ理論以創(chuàng)新為出發(fā)點，總結(jié)了一系列豐富的創(chuàng)新理論和嚴謹?shù)膭?chuàng)新方法，為工業(yè)設(shè)計學科提供了一定的設(shè)計思路。

1 TRIZ理論體系結(jié)構(gòu)

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ即“發(fā)明問題解決理論”(The Theory of Inventive Problem Solving)，是一門科學的創(chuàng)造方法學[2]，是基于技術(shù)系統(tǒng)演變的內(nèi)在規(guī)律來對問題進行邏輯分析并引導人們?nèi)?chuàng)新的工具， 是以蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)為首的一批學者從1946年開始，歷經(jīng)50多年對世界上250多萬件發(fā)明專利加以研究、歸納和提煉，建立的一整套系統(tǒng)化、實用性的解決發(fā)明問題的理論、方法和體系。TRIZ理論提供了一系列工具，如系統(tǒng)進化法則、40個發(fā)明原理和矛盾矩陣、76個發(fā)明問題的標準解和ARIZ算法、物—場模型分析算法等。

1.2 TRIZ理論的創(chuàng)新思維方法

思維是人們基于客觀事物和主觀經(jīng)驗時對事物的認知過程，決定著一個人的行為方式，創(chuàng)新思維包括創(chuàng)造思維、邏輯思維和批判思維，是指在創(chuàng)造具有獨創(chuàng)性成果的過程中對事物的認知活動，是人們運用現(xiàn)有經(jīng)驗開拓新領(lǐng)域的思維能力，是通過學習可以培養(yǎng)發(fā)展的能力，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)可以為實際問題的解決提供新穎獨特的方法，提供事物變化的多種可能性。

TRIZ理論包含了許多系統(tǒng)、科學而又富有可操作性的創(chuàng)造性思維方法，如多屏幕法、STC算子法、小人法、金魚法和最終理想解法等。多屏幕法指在分析和解決問題時，不僅要考慮當前系統(tǒng)，還要考慮它的過去和未來，不僅要考慮當前系統(tǒng)，還要考慮它的子系統(tǒng)和超系統(tǒng)，以及當前系統(tǒng)的過去和未來的子系統(tǒng)、超系統(tǒng)，從時間和系統(tǒng)層級2個角度對問題進行分析；STC算子法基于尺寸、時間和成本的單一因素進行分析，目的在于讓我們的思維進行有規(guī)律的、多維度的發(fā)散，有助于我們打破思維習慣的束縛，將很多看似很難、無從下手的問題變得簡單[3]；小人法是將物體中不能完成的非兼容的要求部分用許多能動的小人進行假設(shè)并表示，根據(jù)情況將小人分組，分析原始情況并重建物體模型，使模型符合所需的理想功能，并且使原始的矛盾被消除；金魚法又稱情境幻想分析法，將情境分為現(xiàn)實和幻想2部分，分析不現(xiàn)實部分的原因，并引入其他資源將不現(xiàn)實想法變?yōu)楝F(xiàn)實，并不斷分析直到全部變?yōu)楝F(xiàn)實；最終理想解法是指在解決問題之初，先拋開思維慣性的限制，通過理想化來定義問題的最終理想解，明確理想解所在的方向和位置，保證在解決問題過程中沿著此目標前進并獲得最終理想解。這種逆向思維的方法有助于我們在解決技術(shù)系統(tǒng)矛盾時提升創(chuàng)新設(shè)計的效率。

1.3 TRIZ理論的系統(tǒng)進化法則

阿奇舒勒先生在分析大量專利的過程中發(fā)現(xiàn)，任何領(lǐng)域的產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展都遵循一定的客觀規(guī)律，而且同一條規(guī)律往往反復應用于不同的產(chǎn)品。系統(tǒng)技術(shù)進化法則的S曲線揭示一個技術(shù)系統(tǒng)的進化過程都要經(jīng)歷4個階段，分別是嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，且不同的階段都顯現(xiàn)出不同的特征，直到技術(shù)系統(tǒng)進化到一定程度后，才會出現(xiàn)一個新的技術(shù)系統(tǒng)來替代。系統(tǒng)進化法則以系統(tǒng)的角度為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了方向。

1.4 TRIZ理論的矛盾及沖突原理

TRIZ理論將產(chǎn)品或系統(tǒng)的進化過程描述為不斷解決產(chǎn)品所存在的矛盾的過程，未克服矛盾的設(shè)計毫無創(chuàng)新性可言。最典型的2種矛盾是技術(shù)矛盾和物理矛盾，技術(shù)矛盾表現(xiàn)為系統(tǒng)中2個參數(shù)之間的矛盾，TRIZ理論提出用39個通用工程參數(shù)描述系統(tǒng)改善和惡化的方面，通過查找矛盾矩陣可對系統(tǒng)技術(shù)矛盾的解決提供有效的方案，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 技術(shù)矛盾與物理矛盾的關(guān)系

物理矛盾指為了實現(xiàn)某種功能，系統(tǒng)或元件應具有一種特性，但同時出現(xiàn)了與此特性相反的特性，物理矛盾的解決以分離原理為出發(fā)點，通過空間分離、時間分離、條件分離、整體和局部的分離4個方面進行求解，每個分離原理都可與40個發(fā)明原理中的若干原理相對應。

1.5 物—場分析方法及標準解

物—場模型分析法是TRIZ理論中針對一個重要問題的構(gòu)造、描述和分析工具，其采用專門的圖形化的語言來表示問題原因。技術(shù)系統(tǒng)的建立是為了執(zhí)行特定的功能，所有的功能又可以分解為2種物質(zhì)和1種場，即三要素(工件、工具和場)，技術(shù)系統(tǒng)的功能模型就可以用一個完整的物—場模型來表示，為問題的進一步解決創(chuàng)造條件。

物—場模型的建立有助于使問題聚焦于關(guān)鍵子系統(tǒng)上并確定問題所在的“模型組”，常見的模型類型有4種：有效完整模型、不完整模型、效應不足的完整模型和有害效應的完整模型。針對不同類型，阿奇舒勒又歸納出不同的解決方案，76個標準解是在物—場模型的基礎(chǔ)上提出的對技術(shù)系統(tǒng)的有害、過渡和不足等情況的解題方法。標準解法針對標準問題提出，是適用于解決標準問題并能夠快速獲得解決方案的一種工具。

1.6 發(fā)明問題解決算法

發(fā)明問題解決算法(ARIZ)主要是針對復雜問題、矛盾及其相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)而提出的一套完整的分析和解決問題的方法，是對初始問題進行一系列變形及在定義等非計算的邏輯過程實現(xiàn)對問題的逐步深入分析和轉(zhuǎn)化，最終解決問題，重點針對較高級別的發(fā)明問題，力求解決問題的物理矛盾。ARIZ解決問題的流程主要有9大部分，分別是：現(xiàn)有問題分析、問題模型分析、描述問題的最終理想解(IFR)和物理矛盾、調(diào)動和使用物質(zhì)—場資源、運用TRIZ知識庫、改變或替換原有問題、分析已得到的方案、應用已得到的方案以及分析解決問題的整體流程。

2 基于TRIZ理論實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化

腳踏開關(guān)作為信號輸入的一部分，在諸多醫(yī)療設(shè)備，如X光機、計算機斷層掃描裝置(CT)中起著重要作用。腳踏開關(guān)與醫(yī)療設(shè)備相連接，在相關(guān)按鍵被觸發(fā)時，相應的控制信號通過腳踏開關(guān)及其連線傳遞給控制設(shè)備。目前，對腳踏開關(guān)的觸發(fā)方式是通過在腳踏開關(guān)的踏板上施加一定的力進行觸發(fā)，且只有當施加的力達到一定程度時才會被觸發(fā)。如果僅是輕微接觸腳踏開關(guān)的踏板，或施加在踏板上的力未達到觸發(fā)力度，則仍處于未觸發(fā)狀態(tài)，這種方法可以起到避免誤觸發(fā)的目的；但仍然不能完全避免誤觸發(fā)，如病人或者是醫(yī)護人員走動時不小心踩在腳踏開關(guān)上導致誤觸發(fā)。另外，由于醫(yī)院中存在各種污染物，如水和酒精，甚至是病人的體液和血漿，而且灰塵也容易進入腳踏開關(guān)的踏板與隔離板之間、踏板與底座的縫隙之間，這些污染物及灰塵會影響電路板的連接，減少使用壽命，嚴重時可能導致腳踏開關(guān)的損壞。TRIZ創(chuàng)新方法的引進，可以為此類問題提供明確的設(shè)計思路。

1)建立物—場模型圖。將腳踏開關(guān)系統(tǒng)看作“工具”，作用于“醫(yī)療設(shè)備”，可獲得如圖2所示的功能模型；將開關(guān)看作“工具”，作用于“信號”，可獲得如圖3所示的功能模型；將腳看作“工具”，作用于“開關(guān)”，將執(zhí)行的機械力看作“場”，可獲得如圖4所示的功能模型。

圖2 醫(yī)療設(shè)備腳踏開關(guān)功能模型

圖3 腳踏開關(guān)傳輸信號功能模型(將開關(guān)看作“工具”)

圖4 腳踏開關(guān)傳輸信號功能模型(將腳看作“工具”)

2)問題求解。根據(jù)TRIZ理論物理矛盾的定義，為了實現(xiàn)設(shè)備信號控制，希望腳踏開關(guān)力度適中，能正確傳遞信號，卻又出現(xiàn)誤操作，形成關(guān)于力的物理矛盾。通過空間分離方法，將腳踏開關(guān)放置于由底板、頂板以及前板圍合形成的腳踏開關(guān)存儲空間內(nèi)達到對腳踏開關(guān)的保護目的，使得腳踏開關(guān)在未使用時，能夠最大限度地避免被誤觸發(fā)而損壞昂貴的醫(yī)療設(shè)備[4](見圖5)，并且盡量防止污染物對腳踏開關(guān)造成損傷，延長產(chǎn)品使用壽命。優(yōu)化后的產(chǎn)品在生產(chǎn)中實現(xiàn)了一次性塑料注射成型，不僅結(jié)構(gòu)簡單、效果實用，而且保障了腳踏開關(guān)及醫(yī)療設(shè)備的使用安全(見圖6)。

圖5 腳踏開關(guān)保護裝置平面圖

圖6 腳踏開關(guān)保護裝置三維圖

3 TRIZ理論在新產(chǎn)品開發(fā)中的啟示

針對目前在智能手表開發(fā)過程中，在實現(xiàn)智能化時出現(xiàn)的突出問題，通過TRIZ理論的方法進行研究并給出一定建議。

3.1 問題描述與分析

目前，在智能手表系統(tǒng)中存在3個方面的矛盾，主要為物理矛盾，涉及到的3個方面矛盾見表1。

表1 智能手表系統(tǒng)矛盾列表

建立產(chǎn)品根原因分析圖(見圖7)。

圖7 根原因分析圖

3.2 沖突區(qū)域確定

上述沖突主要表現(xiàn)為屏幕既要大又要小，電量容量既要大，電池體積又要小，集中表現(xiàn)為大與小的沖突，屬于物理沖突。采用分離原理，將矛盾雙方分離，分別構(gòu)成不同的技術(shù)系統(tǒng)，以系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的聯(lián)系代替內(nèi)部聯(lián)系，將內(nèi)部矛盾外部化。

利用分離原理，案例中的屏幕這一沖突屬于分離原理中的空間分離和條件分離，將屏幕的大與小這對矛盾在不同的使用條件下進行分離，套用40條發(fā)明原理中的分割、組合、多功能性、借助中介物、柔性外殼或薄膜原理進行解決；電池體積大與小的矛盾屬于分離原理中的時間分離和條件分離，查找發(fā)明原理，可采用有效作用的持續(xù)性、自服務和一次性用品替代等原理提出有效的解決方案。

3.3 擬采取的解決方案

1)根據(jù)智能手表設(shè)計趨向最小化的要求，在固定整體體積的情況下，將顯示屏與主體分離，使其可拆卸和重疊，需要時組合成最大化屏幕，其余時間以小屏幕為主，屏幕鍵盤可設(shè)計為觸摸式，有效解決手機設(shè)計要求大和小2個方面的物理矛盾。

2)因以手表為載體，體積太大易造成攜帶不方便，可在屏幕頂部設(shè)計投影燈，將畫面投影到書本、桌面和墻面等其他媒介，提高可讀性。這樣就實現(xiàn)了屏幕增大的根本性突破，而手機體積可以保持不變。

3)采用虛擬技術(shù)實現(xiàn)更先進的屏幕顯示技術(shù)的創(chuàng)新，在手表上方設(shè)計1個三維顯像燈，將手表中的三維圖像顯示在手表上方一定范圍的空間中，甚至可以實現(xiàn)在通話過程中的三維顯示，與對方通話時可以將對方的三維全息影像顯示的面前。

4)提高電池設(shè)計的高效性，拋棄鋰聚合物電池，達到只用卡片式小體積，卻可使用更長的時間?；蛲ㄟ^新能源完成充電，增加續(xù)航能力。

3.4 方案確定

鑒于智能手表中手機通信等功能的重要性，將手表與手機功能很好地結(jié)合，形式上以手機一邊為參考位置折疊成三折，形成表鏈，可通過在手機后背上覆貼一些可活動貼片來滿足表鏈長度的可調(diào)節(jié)性(見圖8)。

圖8 方案效果圖

4 結(jié)語

TRIZ創(chuàng)新理論對創(chuàng)新方法進行了系統(tǒng)的整理和提煉，為企業(yè)解決工程問題提高了效率，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和產(chǎn)品改良設(shè)計中可以選擇合適的創(chuàng)新技術(shù)，從而對設(shè)計思路進行了拓展，打破了思維定勢，提高了創(chuàng)新能力，引領(lǐng)并創(chuàng)造利于人類生活的先進的、合理的生活方式[5]。

[1] 張磊.TRIZ理論對工業(yè)設(shè)計的影響[J].藝術(shù)與設(shè)計，2007(9):147-149.

[2] 孫曉歐.TRIZ理論基礎(chǔ)教程[M].哈爾濱：黑龍江科學技術(shù)出版社，2013.

[3] 黃永玉.TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計方法研究[J].河南科技，2003(11):122-124.

[4] 楊生紅．一種醫(yī)療設(shè)備腳踏開關(guān)的保護裝置：中國，201420020298.8[P]. 2014-08-20．

[5] 張林，黃亞宇.基于TRIZ理論的爬樓輪椅行走機構(gòu)創(chuàng)新分析與設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2014(10)：62-64.

*科技部創(chuàng)新方法工作專項項目(2012IM020800)