文/東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 彭懷志 崔盛蘭 趙新軍

圖1 觿

1 引言

隨著科技與文化的發(fā)展，門鎖的分類也在不斷的演變中變得更加多樣，不同的場(chǎng)合對(duì)門鎖的形式與安全性要求也各有不同，不過門鎖還是大多數(shù)應(yīng)用于家庭場(chǎng)所或公共場(chǎng)所，以保證個(gè)人財(cái)產(chǎn)或公共財(cái)產(chǎn)的安全。隨著生活品質(zhì)水平的逐步提高，市場(chǎng)對(duì)門鎖的使用需求也不斷增多，不同種類的新型門鎖也在逐漸走入人們的視野中。本文基于TRIZ理論分析門鎖的發(fā)展與演變，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來門鎖的發(fā)展趨勢(shì)，為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)貢獻(xiàn)有價(jià)值的建議。

圖2 木鎖

2 門鎖的發(fā)展與演變

2.1 觿

最早的時(shí)候，人們利用繩索把門牢牢捆縛，最后在開啟處打上特殊的繩結(jié)，這就是最早的鎖具雛形。這種緊緊捆死的繩結(jié)，只能用一個(gè)用獸牙或獸骨制成叫“觿（xī）”的工具才能挑開，“觿”就是最早的鑰匙。（見圖1）

2.2 木鎖

具有實(shí)用性的第一代的門鎖是竹、木結(jié)構(gòu)的鎖，即常說的門閂。據(jù)傳，春秋戰(zhàn)國(guó)初魯國(guó)人魯班改革了這種木制鎖，裝置了機(jī)關(guān)，在門的木栓上鉆一個(gè)圓孔，內(nèi)裝上下兩根圓木棍，圓孔和門正面所能看見的“一”字開口子相遇，開門或鎖門，是用“山”字形鑰匙通過“一”字開口子撥落門閂，使鎖的保密性提高了一大步。早期木質(zhì)鎖由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形體笨重，容易開啟，現(xiàn)在在城市基本上絕跡，在農(nóng)村也只有那些遺留下來的舊房子，深宅大院的雙開木門才有這種木門鎖。它是由木匠制作木門時(shí)，根據(jù)各家各戶的木門特別制作的。也可以說它是木制的機(jī)關(guān)，因此。有人把它稱之為木鎖。（見圖2）

2.3 銅鎖

圖3 銅鎖

銅鎖發(fā)展于漢代，昌盛于明清。在銅鎖發(fā)展的歷史當(dāng)中，每一個(gè)朝代均有不同的銅鎖。銅鎖具有代表性的是西周的青銅鎖、漢代的三簧鎖，唐代的蝦尾銀鎖和宋代的方身鎖、明代的三色鎖，清代的長(zhǎng)命鎖，都是那個(gè)時(shí)代銅鎖的代表作。（見圖3）

2.4 彈子鎖

彈子鎖，亦稱彈珠鎖、珠鎖、鎖簧鎖或銷栓鎖，是現(xiàn)代常見的鎖具結(jié)構(gòu)。原理是使用多個(gè)不同高度的圓柱形零件（稱為鎖簧、彈子或珠），鎖住鎖芯。當(dāng)放入合適的鑰匙，各鎖簧被推至相同的高度，鎖芯便被擰開。（見圖4）

圖4 彈子鎖

2.5 IC門卡鎖

IC門卡鎖目前很流行，因?yàn)槠浔患用芎蠛茈y再?gòu)?fù)制，IC卡門鎖主要由五部分組成：前臺(tái)管理電腦，IC卡，IC讀卡器，門鎖，控制器。門鎖本身由控制機(jī)構(gòu)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?？刂茩C(jī)構(gòu)是一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，可以由功能卡或者控制器隨時(shí)對(duì)其編程。正常工作時(shí)，讀取插入的IC卡內(nèi)信息并進(jìn)行辨識(shí)，控制門鎖。如通過校驗(yàn)則控制鎖芯內(nèi)的微電機(jī)執(zhí)行開鎖操作。機(jī)械部分由鎖芯，外鎖體，內(nèi)鎖體組成。鎖芯包括鎖舌與保險(xiǎn)舌以及一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中嵌入微電機(jī)。外鎖體包括把手，離合機(jī)構(gòu)，IC讀寫器，電氣控制板以及指示燈等。

2.6 智能密碼鎖

智能密碼鎖具有操作快、修改密碼比較簡(jiǎn)單隨意、只需輸入0—9數(shù)字即可開鎖等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的完善智能密碼鎖的價(jià)格在不斷下降，質(zhì)量也在不斷提升，智能密碼鎖以51系列單片機(jī)(AT89051)為核心，配以相應(yīng)硬件電路，完成密碼的設(shè)置、存貯、識(shí)別和顯示、驅(qū)動(dòng)電磁執(zhí)行器并檢測(cè)其驅(qū)動(dòng)電流值、接收傳感器送來的報(bào)警信號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。

圖5 智能密碼鎖

2.7 生物識(shí)別鎖

近年來，電子技術(shù)的進(jìn)步促使門鎖進(jìn)化與革新，各種生物識(shí)別鎖也隨之出現(xiàn)，其原理是通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等手段結(jié)合人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。

從上述門鎖的發(fā)展歷程中可以看出，門鎖在形態(tài)、材料、原理等方面都在進(jìn)行不斷的完善與改進(jìn)，每一次門鎖的進(jìn)化，其制造工藝都在不斷的提升，制造精度更高，門鎖作為家庭或公共環(huán)境的第一道衛(wèi)士，其用戶安全性、識(shí)別性、管理性用戶操作的簡(jiǎn)便性與使用者的信任度都不斷提升。

自2014年起，智能家居的概念開始走向成熟，智能門鎖也漸漸被更多人所接受，它解決了傳統(tǒng)門鎖忘帶、丟失鑰匙等行為給用戶帶來煩惱，智能門鎖通過指紋、密碼等方式開鎖，避免了攜帶鑰匙的麻煩，還因其具備遠(yuǎn)程開門、臨時(shí)密碼等智能化操作，為用戶提供更加便捷的家庭管理手段，因此成為用戶在門鎖選擇上的更優(yōu)選項(xiàng)。

圖6 面部特征識(shí)別系統(tǒng)示意圖

三、基于TRIZ理論的門鎖的發(fā)展

3.1 門鎖發(fā)展中所蘊(yùn)含的TRIZ原理

門鎖發(fā)展至今，材料、形態(tài)和功能原理上都發(fā)生了巨大的變化，其發(fā)展規(guī)律也是有跡可循的。TRIZ理論中提到，任何產(chǎn)品的發(fā)展與創(chuàng)新都有其規(guī)律性。門鎖主要可以分為兩部分，一部份為門鎖的鑰匙，一部份為鎖題本身。從這兩者都可以看到TRIZ理論的應(yīng)用。

目前應(yīng)用最廣泛的彈子鎖，最初的鑰匙普遍為月牙形單排鑰匙。為了提升門鎖的安全性，應(yīng)用了TRIZ的重疊放置原理，將彈子的牙花從單排變成了雙排，分別有兩組彈子進(jìn)行開鎖。除了彈子鎖以外，酒店和公司中經(jīng)常使用的IC門卡也是門鎖中的一大分支。利用事先專業(yè)原理，事前存進(jìn)門卡中的信息便可以進(jìn)行開鎖的操作。然而無論卡片還是傳統(tǒng)的鑰匙，通常都需要對(duì)其進(jìn)行保管，大多數(shù)的酒店將門卡同時(shí)設(shè)置為房間的取電開關(guān)，這里應(yīng)用了相關(guān)協(xié)調(diào)原理，既能給門卡一個(gè)固定的放置位置，還可以節(jié)約酒店的用電，一舉兩得。指紋門鎖中，一般指紋的識(shí)別區(qū)域都放置在把手上，當(dāng)用戶握住把手做開門的動(dòng)作時(shí)，拇指輕輕按壓即可識(shí)別，這里應(yīng)用了動(dòng)作連續(xù)性原則，通過分析用戶的行為動(dòng)作，對(duì)指紋的識(shí)別區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效的節(jié)省了過度的開鎖動(dòng)作，整體行為更加自然與易懂?？v觀門鎖的設(shè)計(jì)，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然為機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了較大改動(dòng)的為門鎖的識(shí)別機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。大部分門鎖都是通過提高門鎖識(shí)別機(jī)構(gòu)的安全性和便捷性來達(dá)到改良的目的。這與TRIZ中的局部質(zhì)量原理相吻合，通過提升局部的品質(zhì)來改善產(chǎn)品整體的體驗(yàn)。

從彈子鎖向智能門鎖的轉(zhuǎn)變之中，通過系統(tǒng)分離原理將原來的識(shí)別系統(tǒng)變成了電子軟件的識(shí)別系統(tǒng)；利用條件分離原理將傳統(tǒng)的鑰匙變成了門卡，使其更具有普遍性，從而滿足更為廣泛的使用。

3.2 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化在門鎖發(fā)展的應(yīng)用。

技術(shù)進(jìn)化路線和技術(shù)進(jìn)化法則是當(dāng)前TRIZ 研究的一個(gè)熱點(diǎn)。根里奇?阿奇舒勒總結(jié)的 8 個(gè)技術(shù)系統(tǒng)基本進(jìn)化法則分別是：（1）完備性法則；（2）能量傳遞法則；（3）動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則；（4）提高理想度法則；（5）子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則；（6）技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化法則；（7） 向微觀級(jí)進(jìn)化法則；（8）協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則。每條法則之下又有若干條分支技術(shù)進(jìn)化路線。門鎖的發(fā)展也與技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式有著密不可分的關(guān)系，運(yùn)用這些技術(shù)進(jìn)化法則就可以比較準(zhǔn)確的判斷出當(dāng)前的門鎖處于技術(shù)進(jìn)化的階段，然后基于進(jìn)化法則和技術(shù)進(jìn)化路線對(duì)產(chǎn)品的未來發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果定位產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向。

圖7 虹膜識(shí)別系統(tǒng)

在材料的選擇上，從木質(zhì)鎖，到銅質(zhì)門環(huán)鎖，到合金彈子鎖再到新材料的現(xiàn)代密碼鎖，在材料的選取與加工上，門鎖的安全性、操作性、動(dòng)態(tài)性都在不斷提升；現(xiàn)階段智能門鎖選用的材料主要有太空鋁材料、鋅合金材料、不銹鋼材料、純銅材料以及一些新合金材料，隨著材料的不斷改良，門鎖也變得更加安全，可靠，方便，以保證技術(shù)系統(tǒng)的生命周期更長(zhǎng)。目前的前沿產(chǎn)品如虹膜鎖（如圖7）等新型技術(shù)的運(yùn)用，更是對(duì)解鎖方式加以更強(qiáng)的限定，包括可控性也不斷提高。其解鎖模式與方式的不斷進(jìn)化，符合TRIZ理論中增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性與可控性原則。

在結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)化過程中，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)完成開鎖動(dòng)作，到電子識(shí)別系統(tǒng)完成開鎖動(dòng)作，由機(jī)械場(chǎng)向電磁場(chǎng)等高級(jí)場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制門鎖開合，轉(zhuǎn)化成現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的可以通過電路，電磁鐵，聲音控制，互聯(lián)網(wǎng)控制門鎖的開合，符合TRIZ理論中系統(tǒng)的自動(dòng)化程度逐漸提升的進(jìn)化模式。

與此同時(shí)，最原始的鎖，可以分為鑰匙與鎖體兩部分子系統(tǒng)，由于鑰匙與鎖體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，早期的門鎖互開率較高，在不斷的發(fā)展中，鎖部分的識(shí)別性在不斷提升，鑰匙部分在被不斷弱化，發(fā)展到現(xiàn)階段的不需要鑰匙解鎖的新型門鎖。隨著門鎖不斷的改進(jìn)，子系統(tǒng)都在進(jìn)行不同程度的發(fā)展與進(jìn)化。

最常用的彈子鎖已經(jīng)逐漸被密碼鎖取代，解鎖的結(jié)構(gòu)也由宏觀的機(jī)械結(jié)構(gòu)，向更加微觀的電路轉(zhuǎn)變，更有生物技術(shù)識(shí)別，讓解鎖方式向更加微觀的原子結(jié)構(gòu)演變，總體發(fā)展，從宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)化。

人們最理想的開鎖方式，莫過于人不用進(jìn)行任何動(dòng)作，由門鎖系統(tǒng)自主識(shí)別匹配的開鎖條件，完成整個(gè)開鎖過程，從彈子鎖到密碼鎖再到智能門鎖，整個(gè)開鎖系統(tǒng)在向著理想度不斷提升的方向發(fā)展。門鎖也在其悠久的優(yōu)化過程中，呈現(xiàn)出一副更加理想化的姿態(tài)。

4 未來門鎖的發(fā)展趨勢(shì)分析

目前，國(guó)內(nèi)包括機(jī)械鎖在內(nèi)的整個(gè)門鎖市場(chǎng)規(guī)模為百億元級(jí)別，但是已安裝智能門鎖的家庭比例很低。而這一比例在韓國(guó)為80%以上，歐美很多國(guó)家也超過50%。騰訊家居《中國(guó)智能鎖消費(fèi)者分析報(bào)告》顯示，智能鎖行業(yè)仍處于發(fā)展初期階段，但未來考慮購(gòu)買指紋鎖的潛在用戶約占66%的比例。由此可見，智能門鎖擁有較大的發(fā)展空間。

但正如之前說提到的，門鎖的發(fā)展符合TIRZ理論中的多個(gè)技術(shù)進(jìn)化模式，其由低級(jí)場(chǎng)向高級(jí)場(chǎng)轉(zhuǎn)化的同時(shí)，也帶來了一些其“進(jìn)化”所導(dǎo)致的問題，新型門鎖的維修，更換，以及支撐門鎖運(yùn)作的能源問題都值得進(jìn)一步的發(fā)展與改良。

未來門鎖的發(fā)展方向大致分為以下幾點(diǎn)：

1. 門鎖將作為智能家居系統(tǒng)的一部分，與其他家居設(shè)施結(jié)合，智能家居系統(tǒng)結(jié)合人工智能技術(shù)，將整個(gè)家居系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成APP中的交互界面（如圖8），門鎖作為保護(hù)整個(gè)智能家庭安全的第一道防護(hù)網(wǎng)，也將成為智能家居系統(tǒng)中尤為重要的一部分，APP的可移動(dòng)性操作讓智能鎖的開鎖及管理變得觸手可及。與此同時(shí)智能開鎖、智能報(bào)警、智能監(jiān)控等功能加以結(jié)合，有效解決開鎖、報(bào)警、監(jiān)控以及發(fā)生的突發(fā)問題。

2. 取消子系統(tǒng)中鑰匙這一部分系統(tǒng)，TRIZ理論中有子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化的法則。鑰匙作為門鎖的一個(gè)子系統(tǒng)，在整個(gè)門鎖的不斷改良進(jìn)化中被逐漸取替，避免鑰匙丟失，遺忘等問題，現(xiàn)存的技術(shù)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了舍棄實(shí)體的鑰匙，以密碼、指紋、虹膜、面部識(shí)別等實(shí)現(xiàn)解鎖的目的，而作為門鎖的一個(gè)未來發(fā)展趨勢(shì)，技術(shù)人員也將會(huì)運(yùn)用生物技術(shù)，繼續(xù)尋找高效快捷、安全且針對(duì)每個(gè)人都具有特異性的解鎖方式開發(fā)新產(chǎn)品。

3. 隨著時(shí)代的發(fā)展，好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)更是需要注重用戶體驗(yàn)，智能鎖本身的特殊性決定了門鎖的快速發(fā)展必須保證用戶的足夠的體驗(yàn)，沒有足夠體驗(yàn)的產(chǎn)品消費(fèi)者會(huì)比較難接受的。

圖8 遠(yuǎn)程遙控

4. 門鎖發(fā)展中電場(chǎng)等高級(jí)場(chǎng)的引入，也導(dǎo)致人的動(dòng)作不能作為開鎖的單一源動(dòng)力，現(xiàn)階段的許多電子鎖中大多運(yùn)用蓄電池或可更換電池來為門鎖運(yùn)作提供能源（如圖9），以應(yīng)對(duì)停電等電力系統(tǒng)暫時(shí)短缺的問題。未來由于科技的不斷發(fā)展，新型能源也可能會(huì)運(yùn)用到門鎖的動(dòng)力供應(yīng)上，智能門鎖在未來的續(xù)航能力也會(huì)有所提升。

圖9 電池門鎖

5 結(jié)語(yǔ)

門鎖的發(fā)展和演變體現(xiàn)了諸多TRIZ理論的應(yīng)用，每個(gè)人都在追尋個(gè)人財(cái)產(chǎn)或公共財(cái)產(chǎn)的安全，因此門鎖的不斷革新與進(jìn)步就顯得尤為重要。而門鎖的發(fā)展距今已有幾千年的歷史，幾千年的智慧與文化積淀，促成了現(xiàn)階段技術(shù)科技愈來愈完善的新型門鎖，而人們對(duì)門鎖的研究與改進(jìn)也在穩(wěn)步向前，并且門鎖是每一個(gè)家庭，公司，不可或缺的產(chǎn)品，需求度越高，產(chǎn)品完善的速率也越高，因此，門鎖的發(fā)展與進(jìn)化將不斷伴隨著科技的發(fā)展為人們提供更加安全、舒適、方便的門禁產(chǎn)品。