Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 3-е, исправленное и дополненное

Это пример изменения структуры, алгоритма и функции по условию (принцип работы или изменение принципа работы).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения ее принципа действия.

Пример 4.70. Обрабатывающий центр

Обрабатывающий центр – это станок с числовым программным управлением (ЧПУ), предназначенный для последовательного выполнения нескольких технологических операций различными инструментами по заданной программе. В качестве инструмента могут быть использованы: резец, фреза, сверло, плазма, лазер и т. п. При переходе к следующей операции станок меняет инструмент, а, следовательно, и принцип действия и алгоритм работы.

Это пример изменения структуры, алгоритма и принципа действия по условию (переход к другой операции).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения выполняемой функции.

Пример 4.71. Мобильный телефон

Современный мобильный телефон выполняет много различных функций.

Это пример изменения алгоритма, принципа действия и функции по условию, выполняя ту или другую потребность владельца.

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения потребностей.

Пример 4.72. Компьютер

Компьютер является наиболее развитой динамической системой. Трудно перечислить все функции, которые он выполняет, и потребности, которые он удовлетворяет.

Это пример изменения алгоритма, функции и потребностей по условию (желание владельца).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения целей.

Пример 4.73. Беспилотный самолет

Беспилотный самолет может изменить цель своего полета в зависимости от изменения обстоятельств. Например, перейти от наблюдения к боевым действиям.

Это пример изменения цели по условию.

Система тем динамичнее, чем она более управляемая.

Динамичность системы повышается с увеличением скорости и точности адаптации к внешним и внутренним изменениям.

Скорость увеличения динамичности повышается с учетом изменений не только определенного параметра, а и его производных.

Идеально, когда система заранее готова к изменениям, т. е. имеет способность заранее прогнозировать изменения. С этой целью система должна использовать и/или выявлять и использовать тенденции, закономерности и законы развития системы, надсистемы и окружающей среды.

Точность адаптации может быть увеличена, если в законе управления системой учитывается интеграл от всех изменений или ведется учет предыдущих изменений.

Пример 4.74. Система управления

Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должны управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.

При длительной работе системы в закон управления желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.

Статические системы достаточно устойчивы, но не мобильны. Мобильные системы часто не устойчивы. Для придания системе максимальной мобильности и устойчивости ее выполняют динамически статичной.

Динамическая статичность системы осуществляется за счет постоянного управления максимально мобильной системой.

Пример 4.75. Велосипед

Двух колесный велосипед устойчив только в процессе движения. Это динамическая устойчивость или динамическая статичность. Еще менее устойчив одноколесный велосипед.

4.5.5. Закономерность перехода на микроуровень

Закономерность перехода системы на микроуровень является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Структура закономерностей эволюции систем

Закономерность перехода системы на микроуровень заключается в том, что система в своем развитии стремится перейти на микроуровень. Чаще всего это относится к рабочему органу.

Микроуровень условное понятие. В работе участвуют все более глубинные структуры вещества, например, использование нанотехнологий. При этом используются физические, химические, биологические и математические эффекты.

Классическими примерами перехода системы с макро- на микроуровень являются часы, вычислительная техника и электроника.

История развития часов насчитывает тысячелетия.

Пример 4.76 Часы

Первоначально время определяли по звездам, в дальнейшем изобрели солнечные часы. Затем появились водяные, песочные и огненные часы.

Впоследствии их заменили механическими часами. Башенные часы были заменены карманными и ручными. Происходил процесс миниатюризации, но принцип действия их практически не изменился – колебание маятника и использование шестеренок, пружин и т. д.

Первый качественный скачек в переходе на микроуровень осуществился с изобретением кварцевых часов. В них в качестве колебательной системы стали использовать кристалл кварца. Маятник заменили кристаллом. Сигнал от кварцевого генератора поступает на шаговый двигатель, который приводит в действие механическую часть часов.

Таким образом, в кварцевых часах на микроуровень перешел только рабочий орган, остальные части электромеханические, т. е. работающие на макроуровне. Типичный пример закона неравномерности развития систем.

Окончательный переход на микроуровень произошел с появлением электронных часов, где исчезли все механические части. Циферблат в них работает или на светодиодах, или на жидких кристаллах.

Позже появились атомные часы, где в качестве источника колебаний используется сигнал перехода электрона между двумя энергетическими уровня атома.

Еще один яркий пример перехода с макро- на микроуровень является история развития вычислительных машин.

Пример 4.77. Вычислительная техника

Первая вычислительная машина (антикитерский механизм) была создана в Древней Греции. Она датируется 150—100 г. до н. э. Это механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Машина также позволяла производить операции сложения, вычитания и деления.

Известны счетное устройство Леонарда да Винчи, суммирующая машина Паскаля и другие.

Принцип действия этих машин механический. Они состояли из валов и шестерен. Постепенно эти части уменьшались в размерах и был разработан арифмометр. Их заменили электромеханические вычислительные машины. Механические части двигались с помощью электрических двигателей.

На следующем этапе была разработана вычислительная машина на вакуумных лампах.

Далее были использованы транзисторы, а затем и микросхемы.

Сегодня процессор содержит миллиарды транзисторов. При их изготовлении используется нанотехнологии.

Это типичный пример перехода на микроуровень.

На мироуровень перешел рабочий орган компьютера – процессор, но до сегодняшнего дня еще остались части, использующие механику, например, жесткий диск, DVD Rom, вентиляторы. Это пример закона неравномерности развития систем.

Имеются тенденции перехода этих частей на микроуровень.

Используются жесткие диски с флэш-памятью. Все чаще используются не DVD диски, а флэш-память. Вентиляторы могут быть заменены элементом Пельтье и тепловыми трубами.

Пример 4.78. Микро-роботы

Инженеры из Университета Ватерлоо изобрели летающего микро-робота. Для перемещения из одной точки пространства в другую он использует магнитное поле Земли. Этот микро-робот весит 0,83 грамма. Робот оснащен несколькими крошечными электромагнитами, создающими вокруг робота трехмерное параболическое магнитное поле17.

Швейцарские ученые разработали устройства, способные уничтожать раковые клетки, не повреждая их здоровых «соседей». Более того, ботов можно запрограммировать на активизацию стволовых клеток разрядом электричества – такая технология позволит лечить поврежденные или разорванные мышцы18.

Американские и китайские биохимики создали нанороботов из нитей ДНК, способных опознавать раковые клетки и лишать их пищи, создавая тромбы в соседних кровеносных сосудах19.

Компания Ролс-Ройс представила проект разработки микророботов предназначенных для автоматизированной диагностики состояния авиационных двигателей и их ремонта. Таким образом Ролс-Ройс улучшает свои двигатели и оптимизирует затраты на ремонты и обслуживание20.

Микро-роботы улавливают радиоактивные загрязнения.

Металлоорганические каркасы используют для захвата, отделения, удаления и извлечения радиоактивного урана из воды. Эти соединения способны удерживать внутри своих пор различные атомы и вещества, в том числе радиоактивный уран. К ним добавили «микродвигатель» ZIF-8 диаметров в 15 раз меньше человеческого волоса, позволяющий молекуле улавливать радиоактивные загрязнения и удерживать их внутри себя.

В структуру добавлены атомы железа и наночастицы оксида железа, чтобы стабилизировать ее и сделать магнитной. Размещенные на конце стержней каталитические наночастицы платины превращают перекись водорода в воду, выделяя при этом пузырьки кислорода. Они приводят в движение «микророботов», заставляя двигаться по течению и преодолевать расстояние в 60 раз большее их собственной длины.

Опыты показали, что за один час они удалили 96% урана в имитируемых радиоактивных сточных водах. После этого наночастицы собрали с помощью магнита и из них выделили чистый уран. По словам специалистов, эта разработка может помочь не только в устранении отходов, но и в их переработке21.

4.5.6. Закономерность перехода системы в надсистему

Закономерность перехода системы в надсистему является основным из законов эволюции систем (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Структура закономерность эволюции систем

Закон перехода системы в надсистему разработан Г. С. Альтшуллером [25, С. 90—96]. Он его сформулировал следующим образом:

«Исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему».

Системы объединяются в надсистему не только, когда исчерпали ресурсы своего развития, поэтому мы переформулировали закон.

Системы объединяются в надсистему, образуя новую, более сложную систему.

Пример 4.79. Самолет

Были объединены двигатель, крылья, система управления, корпус (фюзеляж) и шасси. Появилась новая система – самолет. Каждая из указанных частей в отдельности летать не могла. Новая система – самолет получила системное свойство – возможность летать.

Это одна из возможностей перехода системы в надсистему. Другая возможность:

Переход системы от монофункцинальной к полифункцинальной.

Пример 4.80. Смартфон

Первоначально телефон представлял собой монофункциональную систему. Функция телефона – передача звукового сигнала на расстояние. Смартфон – это многофункциональная (полифункциональная) система, которая выполняет практически все функции компьютера и телефона.

Еще больше функций у Smart Watch.

Такой вид перехода в надсистему первоначально осуществляется выявлением более общей функции, а затем придания дополнительных функций, при этом часто использует новые технологии.

Пример 4.81. Классная доска

Существует классная доска, на которой пишут мелом. Основная ее функция – оставлять на доске изображения мелом. Более общая функция – оставлять на доске изображения чем угодно.

Существуют классные доски, на которых пишут фломастерами. Можно писать на больших листах бумаги, например, фломастером.

Затем появились доски, которые печатают на бумагу, все, что изображено на доске.

Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером. Сегодня существуют электронные классные доски или интерактивные доски (interactive whiteboard), представляющие собой сенсорный экран со встроенным компьютером, динамиками, веб-камерой, встроенной библиотекой, Интернетом. На них можно писать пальцем и передавать это изображение на другие компьютеры, кроме того, можно видеть и человека, пишущего на этой доске.

Опишем тенденцию объединения систем (рис. 4.41).

Рис. 4.41 Тенденция объединения систем

Первоначально имеется одна – моносистема. Далее объединяют две исходные системы, при этом получатся бисистема. На следующем этапа объединяют три и более систем, образуется полисистема. Следующий этап развития, когда би- и/или полисистемы образуют новую единую систему (моносистему), которая выполняет все функции, входящих в нее систем. Эта операция называется свертывание.

Переход «моно-би-поли» – неизбежный этап в развитии всех технических систем.

После объединения систем в би- или полисистему происходит некоторое изменение новой системы, требующие согласования (п. 4.5.7) составных частей и параметров системы. При этом сокращаются вспомогательные элементы, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Такие системы называются частично свернутыми. Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым системам, в которых один объект выполняет несколько функций.

Полностью свернутую систему можно представить, как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие происходит по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моносистемы может выступать частично свернутая система.

Механизмы объединения элементов

Создание надсистемы путем объединения в би- и полисистему может включать следующие виды элементов или систем (рис. 4.42):

1. Однородные:

1.1. Одинаковые;

1.2. Однородные элементы со сдвинутыми характеристиками.

2. Неоднородные:

2.1. Альтернативные (конкурирующие);

2.2. Антагонистические – инверсные (элементы с противоположными свойствами или функциями);

2.3. Дополнительные.

Рис. 4.42. Схема механизма тенденции перехода МОНО-БИ-ПОЛИ

Полностью схема закона перехода системы в надсистему представлена на рис. 4.43.

Рис. 4.43. Общая схема объединения систем

Объединение производится таким образом, что полезные (необходимые) качества отдельных элементов складываются, усиливаются, а вредные взаимно компенсируются или остаются на прежнем уровне. Объединение такого типа возможно, как для достаточно высокоразвитых систем, как и для простых элементов.

Приведем примеры.

1. Создание системы из однородных элементов/систем.

1.1. Одинаковые системы.

Этот вид предусматривает объединение полностью одинаковых систем.

Пример 4.82. Карандаш

Наличие одинаковых карандашей позволяет не тратить время на заточку каждого карандаша. Эту операцию можно проделать заранее.

Пример 4.83. Винтовка

Раньше винтовки или мушкеты были однозарядными, чтобы убыстрить стрельбу использовали две или больше одинаковых винтовок. Из одной стреляли, другую в это время заряжали.

Пример 4.84. Электростанция

Электростанции объединяются в единую энергетическую систему. Тогда мощности этих электростанций можно использовать оптимально, распределяя нагрузку в соответствии с нуждами потребителей.

Пример 4.85. Вагон

Вагоны объединяются в железнодорожный состав.

Пример 4.86. Лихтеровоз

Буксир, как правило, везет одну баржу. Создали судно – лихтеровоз (рис. 4.44), которое перевозит много барж (лихтеров).

Рис. 4.44. Лихтеровоз

Пример 4.87. Обработка тонкого листа

Обработка торцевых поверхностей хрупких деталей (например, из тонкого листового стекла) достаточно сложна, и деталь легко сломать. Для того чтобы этот процесс сделать проще, бездефектным и более производительным детали объединили, склеивая их в единый блок. После обработки клей растворяют

1.2. Однородные системы со сдвинутыми характеристиками.

Элементами со сдвинутыми характеристиками называются однородные элементы с неодинаковыми параметрами, свойствами, характеристиками.

Объединение элементов в систему происходит аналогично объединению однородных элементов.

Пример 4.88. Карандаш

Карандаши разной жесткости или разного цвета. Аналогичный пример, набор шариковых ручек разного цвета объединение стержней или разного цвета чернил в капиллярных авторучках.

Пример 4.89. Винтовка

Использовали две или более винтовок с разными калибрами.

Пример 4.90. Обувь

Пара обуви или пара перчаток – типичный представитель элементов со сдвинутыми характеристиками. Первая обувь не имела специальной формы для левой и правой ноги. Они были полностью одинаковы.

Пример 4.91. Биметалл

Объединение металлов с различными коэффициентами температурного расширения в биметаллической пластине.

Пример 4.92. Катамаран

Объединение корпусов разных размеров и форм в катамаране и полимаране.

2. Создание системы из неоднородных элементов (систем).

2.1. Конкурирующие (альтернативные) системы.

Конкурирующая (альтернативная) система – это система, выполняющая одну и ту же функцию.

Такое объединение систем применяется в тех случаях, когда для выполнения той или иной функции имеется несколько разных путей, несколько физических принципов, а, следовательно, и систем. Объединение, также и в предыдущих случаях, производится таким образом, что недостатки каждого из элементов компенсируется, а преимущества складываются.

Пример 4.93. Карандаш

Для карандаша альтернативным элементом может быть авторучка (перьевая, шариковая, капиллярная), кисточка с красками и т. д.

Пример 4.94 Винтовка

Альтернативой винтовки может быть пистолет, гранатомет, арбалет и т. д.

Пример 4.95. Телескоп

Телескоп Максутова, объединяет линзовые и зеркальные оптические системы. У каждой из этих систем есть свои погрешности, когда эти системы были объединены, то погрешности взаимно компенсировали друг друга.

Пример 4.96. Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель, объединил преимущества реактивного и винтового двигателя.

Этот вид объединения систем часто применяется в тех случаях, когда одна система достигла своего потолка развития, а другая, более совершенная, еще не может заменить ее полностью.

2.2. Дополнительные системы

Дополнительные системы / элементы – это системы/элементы, выполняющие разные функции. Рассмотрим дополнительные элементы.

Пример 4.97. Карандаш

Дополнительными для карандаша являются: точилка и колпачок.

Карандаш объединяется с точилкой. Вместо колпачка делается убирающийся грифель.

Пример 4.98. Винтовка

Раньше для винтовки дополнительными были: емкость с порохом (пороховница), набор пуль, пыжи, шомпол и т. д. Теперь это: магазины с пулями, штык-нож, оптический прицел.

Пример 4.99. Мебель

Различного рода предметы, объединенные в мебельном гарнитуре.

Пример 4.100. Мотоцикл

Мотоцикл объединила велосипед, двигатель, баки и т. д.

Любое транспортное средство – это как минимум набор двигателя, движителя, системы управления и корпуса.

2.3. Антагонистические системы.

Антагонистические системы/элементы – это системы с противоположными свойствами или функциями. Объединение систем с противоположными функциями позволяет повысить управляемость надсистемы, произвольно менять ее параметры в широком диапазоне и наделить систему новыми функциями.

Пример 4.101. Карандаш

Функции, противоположные карандашу, выполняет резинка или типикс, позволяющие стирать или замазывать текст.

Пример 4.102. Память компьютера

У памяти имеются две противоположные функции – запись и стирание.

Пример 4.103. Кондиционер

В кондиционере имеются нагреватель и холодильник.

Пример 4.104. «Тормоз»

У транспортных средств имеются устройства, которые разгоняют и останавливают их.

У наземных транспортных средств функцию остановки выполняют тормоза. У воздушных и водных – это переключение тяги в противоположную сторону, у самолетов это может быть и парашют.

Развитие би- и полисистем

Дальнейшее развитие новых систем идет путем повышения их эффективностив двух направлениях:

1. Увеличением различия между элементами системы.

2. Развитием связей между элементами.

2.1. Система из практически самостоятельных, не связанных между собой элементов, не изменяющихся при объединении.

2.2. Система из частично измененных, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только в данной системе. Это частично свернутая система.

2.3. Система полностью измененных элементов, которые работают только в данной моносистеме и отдельно применяться не могут.

Приведем примеры.

1. Увеличение различия между элементами системы.

Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различий между элементами системы. Движение идет от однородных элементов к элементам со сдвинутыми характеристиками, к альтернативным элементам; к дополнительным элементам, а затем – к инверсным и, наконец, объединению всех возможных вариантов.

Продемонстрируем эту цепочку на примере карандаша, обобщив все описанные ранее варианты.

Пример 4.105. Карандаш

Объединение однородных элементов.

Одинаковые карандаши стоят на письменном столе в стакане. Мы их частично свернули, объединив в стакане.

Элементы со сдвинутыми характеристиками. Карандаши разной жесткости или разного цвета. На рис. 4.45 показаны полностью свернутые конструкции карандашей со сдвинутыми характеристиками. В одном карандаше имеется два цвета (красный и синий) рис. 4.45а (свернутая би-система) или много цветов рис. 4.45б (свернутая поли-система).

Рис. 4.45. Полностью свернутый карандаш со сдвинутыми характеристиками

Объединение разнородных элементов.

Альтернативные элементы. Авторучка. Частичное свертывание – набор авторучки и карандаша. Дополнительные элементы. Точилка и колпачок. Свертывание – выпускались автоматические цанговые карандаши с точилкой. Колпачок слал ненужным (свернутым) – грифель убирается. Инверсные элементы. Резинка и штрих (корректирующая жидкость). Свертывание – карандаш с резинкой. При объединении происходит свертывание элементов.