楊亮亮 馮乙

摘要：基于TRIZ理論的設(shè)計(jì)方法，對可調(diào)溫保溫杯進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為設(shè)計(jì)出可以調(diào)節(jié)溫度的保溫杯，以TRIZ為理論基礎(chǔ)進(jìn)行問題分析與問題解決。在設(shè)計(jì)過程中，首先從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)因果鏈和系統(tǒng)九屏幕法進(jìn)行問題分析;然后，利用技術(shù)矛盾和物-場分析方法得到問題的解決方案;最后，梳理前期分析和解決問題的多種方案評定出最優(yōu)方案。利用TRIZ理論為可調(diào)溫保溫杯設(shè)計(jì)提供了新的思路，同時(shí)驗(yàn)證了可調(diào)溫保溫杯創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：可調(diào)溫保溫杯TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)功能分析矛盾解決

中圖分類號：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）09-0136-03

Abstract：The work aims to conduct innovative design of the thermos cup that can adjust the temperatures based on the theory of TRIZ. In the design process，the problems are analyzed from the system function，he Fault Tree Analysis and the system nine-screen method. Then，the solution of the problem is obtained by using technical contradiction and Substance-Field analysis method. Finally，combing the previous analysis and solving the problem of a variety of solutions to evaluate the best design .This paper provides a new idea for the design of thermos cup with adjustable temperature by using TRIZ theory，and verifies the feasibility of the innovative design of thermos cup with adjustable temperature.

Keywords： Thermos cup with adjustable temperature The theory of TRIZ Innovative design Functional analysis Conflict resolution

引言

隨著時(shí)代發(fā)展，人們的生活水平在逐步提高，對于日常生活必需品的品質(zhì)和功能的追求也在不斷提高。消費(fèi)者希望每個(gè)產(chǎn)品都具有多樣性的功能，提高使用的效率?；谝陨系姆治龊蚑RIZ理論的結(jié)合應(yīng)用，提出了該理論下的可調(diào)溫保溫杯產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路?，F(xiàn)在市場上大部分的保溫杯，都只能盛裝熱水或者常溫的飲用水的一種。也有一些保溫杯能夠盛裝一定的熱水以達(dá)到恒溫的使用需求，但是其產(chǎn)品大多為使用了較為昂貴的材料或者是在杯體中加入了電子智能設(shè)備以達(dá)到使用需求[1]。分析以上存在的問題，給產(chǎn)品使用上帶來了很大的不便。從這一點(diǎn)出發(fā)，探究設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)溫度的新型保溫杯，以提高保溫杯的使用效率。本文首先按照TRIZ方法理論流程對保溫杯進(jìn)行問題分析和問題解決，再進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案構(gòu)思。探索分析設(shè)計(jì)過程的最優(yōu)解，以達(dá)到保溫杯可調(diào)節(jié)溫度的效果，為其他同類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供借鑒。

一、TRIZ理論概述

TRIZ理論是“發(fā)明問題解決理論”的最常用簡稱，是將俄文譯成拉丁文后的縮寫。關(guān)于TRIZ的理論緣起，按照時(shí)間可以追溯到20世紀(jì)40年代。阿奇舒勒擔(dān)任專利調(diào)查員期間，由于工作原因閱讀了大量的專利文件，在工作中他注意到那些看似毫無聯(lián)系的專利中存在著一些解決問題的基本模式。每個(gè)成熟的專利都是在解決現(xiàn)有的矛盾問題，解決這些矛盾的相同原理被反復(fù)利用[2]。阿奇舒勒在對海量文獻(xiàn)專利搜集，研究和提煉之后，整合后開發(fā)出了TRIZ這一理論創(chuàng)新方法體系。體系中包含了大量實(shí)用的創(chuàng)新方法工具，運(yùn)用這套理論方法可以針對實(shí)踐中各類復(fù)雜的問題進(jìn)行分析和解答。

二、現(xiàn)有可調(diào)溫保溫杯調(diào)研分析

通過前期產(chǎn)品市場調(diào)研，對現(xiàn)有的各類可調(diào)溫保溫杯的產(chǎn)品性能和優(yōu)缺點(diǎn)做出具體分析。本次研究選取了目前市場上銷量較好的幾款可調(diào)溫保溫杯進(jìn)行各項(xiàng)比較，主要是針對現(xiàn)有可調(diào)溫保溫杯產(chǎn)品的不足和存在的急需解決的矛盾進(jìn)行研究，得以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的創(chuàng)新改良和優(yōu)化。本次市場調(diào)研主要發(fā)現(xiàn)有兩種調(diào)溫方式的保溫杯產(chǎn)品，第一種是依靠杯體內(nèi)使用新型材料發(fā)生冷熱交換反應(yīng)而達(dá)到調(diào)控溫度的目的;第二種與之不同，大多是依靠放電過程中形成的電能和杯中水做熱量交換以達(dá)到調(diào)溫的目的。

市場上現(xiàn)有功能相似的保溫杯還包括富光品牌的55℃保溫杯、極愛55℃保溫杯等，這些保溫杯產(chǎn)品基本功能和上述洛可可公司的保溫杯產(chǎn)品基本原理相同，都是利用保溫杯隔層的相變材料迅速吸熱進(jìn)行降溫，材料吸熱之后放熱進(jìn)行保溫的原理制成。第二種類型的可調(diào)溫保溫杯就是自帶加熱功能部件或依靠配套加熱部件調(diào)節(jié)溫度的產(chǎn)品，杯內(nèi)用普通電阻絲加熱杯中的水或者用配備的底座所產(chǎn)生電磁波來加熱水溫。

通過調(diào)研分析總結(jié)得出，現(xiàn)有同種功能產(chǎn)品各有優(yōu)缺，可調(diào)溫保溫杯的競爭優(yōu)勢主要體現(xiàn)在加熱功能和維持溫度的方式上。使用電輔助加熱類別的保溫杯需要使用電源，受使用環(huán)境的限制。其中，55℃保溫杯創(chuàng)新性地運(yùn)用了新材料將水溫調(diào)節(jié)至55℃達(dá)到最適合人體飲用的溫度深受消費(fèi)者的青睞，但同時(shí)其較貴的售價(jià)也使此產(chǎn)品的缺點(diǎn)一目了然?；诒狙芯壳捌谡{(diào)研發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有問題，提出一種基于TRIZ理論的可調(diào)溫杯產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)出售價(jià)合理，使用便捷的可調(diào)溫保溫杯。

三、基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）問題的描述與分析

保溫杯是我們生活中的必備用品，普通保溫杯的保溫原理就是要盡量減少水的熱量損失，以此達(dá)到保溫的效果。我們在使用保溫杯的時(shí)候也會遇到與保溫相關(guān)問題，剛接入杯內(nèi)的開水由于溫度過高不能立刻飲用，只能將其放置等到水的溫度慢慢下降之后才可飲用。這就產(chǎn)生了一個(gè)非常不方便的使用問題，使本該屬于產(chǎn)品的優(yōu)勢轉(zhuǎn)而成為其使用的劣勢和痛點(diǎn)。

利用TRIZ理論分析初始問題，為解決保溫杯盛接熱水不能即刻飲用溫水的問題，對傳統(tǒng)保溫杯進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足如下一些限制條件：該可調(diào)溫保溫杯設(shè)計(jì)制造不應(yīng)太復(fù)雜，成本不應(yīng)過高;該可調(diào)溫保溫杯不應(yīng)有過于嚴(yán)格的使用環(huán)境限制;該可調(diào)溫保溫杯要尊重傳統(tǒng)操作方式，不易將使用方式改動(dòng)過大。

1.系統(tǒng)功能分析。功能是指當(dāng)某個(gè)組件改變或者保持另一組的某個(gè)參數(shù)的行為或者作用[3]。在TRIZ理論中，功能是對產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)特定的工作能力較為抽象化的表述，任何產(chǎn)品都具有其特定的功能。

功能是產(chǎn)品存在的理由，產(chǎn)品是功能的實(shí)質(zhì)載體。而系統(tǒng)功能分析的主要目的就是對已有系統(tǒng)進(jìn)行分解，確定此技術(shù)系統(tǒng)所提供的主要功能，明確各組件的有用功能和對所屬系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn)，通過拆解分析建立繪制組件功能模型圖。

根據(jù)系統(tǒng)功能分析流程，將本次研究主體保溫杯作為擁有完整功能的獨(dú)立系統(tǒng)展開分析。其中的技術(shù)系統(tǒng)有：不銹鋼外殼、內(nèi)膽、塑料杯蓋、按鍵、橡膠圈，彈簧;超系統(tǒng)包含：飲水機(jī)，熱水壺，使用人群。其中主要技術(shù)系統(tǒng)具體包括系統(tǒng)作用對象系統(tǒng)組件，超系統(tǒng)組件指對系統(tǒng)造成影響的外部因素，在研究中飲水機(jī)、熱水壺、使用人群就屬于超系統(tǒng)組件。

建立保溫杯系統(tǒng)內(nèi)相互作用矩陣于下表1中，將各組件相互作用的分析表述清楚。用帶“+”的單元意味著有可能作用，后續(xù)需要具體分析各部件具體作用是什么。用帶“-”表示兩者沒有作用，后續(xù)分析中將不再考慮。

接著建立功能模型表式，見表2。通過功能模型表式可以幫助分析識別原件之間的具體作用，了解保溫杯各原件作用功能。在如下表格內(nèi)系統(tǒng)性地記錄下工程系統(tǒng)中各功能載體、具體功能、功能客體、參數(shù)以及性質(zhì)。

在發(fā)現(xiàn)問題設(shè)計(jì)之初，首先進(jìn)行的是功能分析。功能分析的目的是從完成保溫杯功能的角度而不是制造保溫杯技術(shù)的角度去分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件。以上部分完成了裁剪過程，就是研究保溫杯每一個(gè)功能是否必需，如果必需，系統(tǒng)中其他部件是否可以代替其完成相對應(yīng)功能。

通過上述功能功能分析，將表2進(jìn)行圖形化建立保溫杯的功能模型圖，圖1。通過功能模型圖可以清楚地了解到每個(gè)功能單元所執(zhí)行功能和被作用單元在該單元上的功能，尤其是有特殊問題的單元，如下圖中圈內(nèi)的單元。簡單分析模型圖提出設(shè)計(jì)構(gòu)想，去除保溫杯一些不必要的結(jié)構(gòu)，使得保溫杯的結(jié)構(gòu)更加簡潔，操作更加簡單。再通過改變打開內(nèi)蓋和杯蓋的方式，使得操作更加簡單，例如采用按鍵彈開的打開方式。

2.系統(tǒng)因果鏈分析。針對上述建立的功能模型，根據(jù)問題表象在模型上確定直接相關(guān)的沖突區(qū)域（尋找設(shè)計(jì)痛點(diǎn)），運(yùn)用TRIZ理論中系統(tǒng)因果分析進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)進(jìn)程。所謂系統(tǒng)因果分析是以發(fā)展變化的因果為依據(jù)，抓住系統(tǒng)發(fā)展變化的主要矛盾與次要矛盾（內(nèi)因和外因）的相互關(guān)系[4]。

本次因果分析采用的是因果鏈分析又叫故障樹分析，在分析保溫杯各單元的過程中，找出根本原因和結(jié)果之間存在的一系列因果關(guān)系，構(gòu)成了多條因果鏈關(guān)系[5]。本次因果鏈分析的主要目的首先是發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因;尋找解決問題的“薄弱點(diǎn)”;最終為解決問題尋找入手點(diǎn)。因果鏈分析圖如下圖2所示。

從發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有問題“溫度過高”、“冷卻時(shí)間長”、“單獨(dú)內(nèi)膽”、“單一保溫”、“打開方式”、“溫度適宜”出發(fā)，列出邏輯第一層的直接原因。將第一層發(fā)現(xiàn)問題的每個(gè)原因和結(jié)果用箭頭相互連接，箭頭從直接原因指向?qū)?yīng)結(jié)果，就整體構(gòu)了成完整的因果鏈。以這些直接原因?yàn)榻Y(jié)果在此次循環(huán)實(shí)施以上步驟，分別找出“溫度”、“時(shí)間”、“結(jié)構(gòu)”、“材料”、“功能”、“使用方式”、“使用心理”這些原因。

找出關(guān)鍵問題：121，111+211，211，221，21+231，21+311，21+321，211+311，23+221。保溫杯單獨(dú)的內(nèi)膽就直接導(dǎo)致杯內(nèi)水的溫度是趨于穩(wěn)定的，單一的保溫作用也導(dǎo)致了保溫杯內(nèi)剛接的水溫度過高，飲用困難的問題。簡單分析因果鏈可得，既可以從保溫杯的結(jié)構(gòu)方面、保溫杯內(nèi)膽的材料、水的冷卻的時(shí)間等方面著手解決問題。

3.系統(tǒng)九屏幕分析。九屏幕法或多屏幕法是TRIZ理論中典型的“系統(tǒng)思維”方法，是對整體情境進(jìn)行考慮，要求是不僅考慮當(dāng)前的情境，還需要考慮它們在系統(tǒng)層次和時(shí)間上情境的變化。九屏幕法又稱系統(tǒng)算子，是處理動(dòng)態(tài)影像的具體方法[6]。最常見的多屏幕法一共包含九個(gè)屏幕，即具有兩條坐標(biāo)軸線：縱向?yàn)橄到y(tǒng)層次，其中包括子系統(tǒng)、系統(tǒng)和超系統(tǒng)三個(gè)層次;橫向?yàn)闀r(shí)間，核心關(guān)注保溫杯的過去，現(xiàn)在和未來。時(shí)間線以可調(diào)溫保溫杯為思維發(fā)散點(diǎn)，追溯到“過去”的普通傳統(tǒng)保溫杯，再到“未來”的智能新型保溫杯。

傳統(tǒng)保溫杯保持水溫的工具，當(dāng)下研究的可調(diào)溫保溫杯是可以調(diào)節(jié)水溫的工具。未來智能保溫杯具有更先進(jìn)的材料，以達(dá)到智能控溫的功能，具體如圖3所示。根據(jù)九屏幕法分析得出，可調(diào)溫保溫杯設(shè)計(jì)需運(yùn)用較為成熟的技術(shù)，通過各種結(jié)構(gòu)與零件的相互配合來達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的。

（二）問題的解決方法

如前所述，TRIZ理論認(rèn)為“矛盾是發(fā)明問題的核心”，但是當(dāng)我們面對一個(gè)具體的發(fā)明創(chuàng)造問題時(shí)矛盾不會自己顯現(xiàn)出來。矛盾分析——也即如何準(zhǔn)確合理地將研究問題中的矛盾提取出來，將多樣化的問題轉(zhuǎn)化成典型通用的問題[7]。在解決本研究問題之時(shí)，就應(yīng)用矛盾分析法就行對應(yīng)的探究。

1.技術(shù)矛盾解決問題。TRIZ理論將矛盾分為兩類，第一類稱為技術(shù)矛盾，與之對應(yīng)的另一種矛盾稱為物理矛盾[8]。TRIZ理論從大量的發(fā)明方案中總結(jié)并提煉出解決矛盾的40個(gè)發(fā)明原理，這四十個(gè)發(fā)明原理是基于大量可行的解決矛盾原理精煉而來，能夠指導(dǎo)本次可調(diào)溫保溫杯產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)施。

首先通過本文第二部分的描述與分析，總結(jié)定義現(xiàn)有可知技術(shù)矛盾：如果為了使保溫杯能夠適應(yīng)擁有儲存不同溫度的飲用水的要求，就需要增加保溫杯儲水內(nèi)膽數(shù)量，增加系統(tǒng)組件;如果系統(tǒng)的組件增加，會導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性增加;如果增加組件，會導(dǎo)致與原系統(tǒng)的操作方式不同，系統(tǒng)的可操作性會受到影響。

其次根據(jù)發(fā)明原理流程，查找矛盾矩陣確定功能工程參數(shù)描述。

改善的參數(shù)為：No.35適用性和通用性。惡化的參數(shù)為：No.33可操作性、No.36系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過查詢矛盾矩陣圖表，得知此問題可能的解集是M35-33=[34，15，1，16]和M35-36=[29，15，28，37]共計(jì)七個(gè)發(fā)明創(chuàng)新原理。上述七個(gè)發(fā)明原理分別是1分割原理、15動(dòng)態(tài)性原理、16不足或過量作用原理、28替換機(jī)械系統(tǒng)原理、29氣壓或液壓原理、34拋棄與再生原理和37熱膨脹原理。從設(shè)計(jì)需求出發(fā)結(jié)合以上得出的原理分析可知，較為適用的發(fā)明原理以及基于此原理得到的設(shè)計(jì)構(gòu)思為以下四種。

分割原理：將保溫杯的某些系統(tǒng)組件進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)儲存不同溫度飲用水功能要求;將保溫杯剖析成可拆卸組裝的系統(tǒng)，在增加系統(tǒng)適應(yīng)性的同時(shí)，也保證了系統(tǒng)所要求的簡潔性。動(dòng)態(tài)性原理：將保溫杯的某些組件（如內(nèi)膽和內(nèi)杯蓋）設(shè)計(jì)成雙層，并同時(shí)支持兩層組件相互移動(dòng);增加一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并讓增加的系統(tǒng)能夠調(diào)整飲用水的流出方式。替換機(jī)械系統(tǒng)原理：利用磁場或電場代替現(xiàn)有保溫杯的機(jī)械場，提高保溫杯的保溫功能，增加調(diào)溫功能;將保溫杯內(nèi)膽改為的電場可控的組件，并可在電場作用下達(dá)到保溫與調(diào)節(jié)水溫的目的。不足或過量作用原理：局部增加保溫杯儲水組件的數(shù)量，增加儲水內(nèi)膽的形式數(shù)量;增加保溫杯內(nèi)飲用水與外界環(huán)境接觸的面積，使散熱面積增大，加快冷卻速度。

2.物-場模型解決問題。物-場模型是指當(dāng)兩個(gè)原件發(fā)生相互作用時(shí)，需要分析每個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)屬性”[9]。本次研究的物一場模型問題描述：剛接入杯內(nèi)的開水由于溫度太高不能立刻飲用，只能等到水的溫度慢慢下降之后才可飲用，這就產(chǎn)生了一個(gè)非常不方便的使用問題。

建立物-場模型如圖4所示。

解決方法：增加另外一個(gè)場F2來抵消保溫杯對飲用水溫度控制的過度效應(yīng)如圖5所示。

提出設(shè)計(jì)方案：通過將內(nèi)膽分成兩部分的方法，一部分儲存熱水，另外一部分儲存涼水。飲用時(shí)將兩者混合即可達(dá)到抵消過度效應(yīng)。

（三）最終理想解

研究最后階段即是匯總概念方案，梳理研究前期問題分析和解決過程中的多種方案，從可調(diào)溫保溫杯產(chǎn)品的成本高低、可靠性高低以及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的難以程度三個(gè)方向進(jìn)行方案評估。根據(jù)選定的最佳方案用犀牛軟件進(jìn)行模型的建立，將制作好的模型文件置入渲染軟件中進(jìn)行渲染處理，得到最終的理想解效果圖。形成的可調(diào)溫保溫杯旋轉(zhuǎn)調(diào)溫部件細(xì)節(jié)如圖6，使用場景如圖7。

通過分析與解決問題，設(shè)計(jì)出以上可調(diào)溫保溫杯。解決了普通保溫杯剛開始盛接熱水不能立刻飲用的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)。產(chǎn)品的具體原理是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，將保溫杯內(nèi)膽只作為兩半。在盛接飲用水的時(shí)候于一邊接熱水另外一邊接常溫水即可，具體的調(diào)節(jié)方式為杯蓋經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在杯口倒出水時(shí)旋轉(zhuǎn)旋鈕就可達(dá)到調(diào)節(jié)出水配比?；赥RIZ理論下的設(shè)計(jì)探究，使可調(diào)溫保溫杯產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)更為簡易，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單制造成本大大降低。此設(shè)計(jì)便于攜帶，提高了保溫杯的適用性。

結(jié)論

本文通過市場現(xiàn)有相似功能可調(diào)溫保溫杯進(jìn)行調(diào)研分析，尋找新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)切入點(diǎn)。首先綜合三種問題描述與分析方法，為后續(xù)解決問題做充足的思維發(fā)散。其后在解決問題階段，利用矛盾分析法和物與場架構(gòu)模型法得到解決問題的最佳方案。摒棄了市面上同類可調(diào)溫保溫杯的設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用TRIZ理論創(chuàng)造性的將保溫杯設(shè)計(jì)為兩個(gè)內(nèi)膽分別盛裝冷熱溫度的飲用水，依靠杯蓋機(jī)械裝置進(jìn)行杯中水溫度的調(diào)節(jié)以達(dá)到調(diào)溫的目的。本文按照設(shè)計(jì)理論流程探究產(chǎn)品創(chuàng)新方案，可為其同類型產(chǎn)品的開發(fā)研究提供借鑒價(jià)值。

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