Микростандарты мышления. Инструменты ТРИЗ в эпоху искусственного интеллекта

МКС. Если среди двух конкурирующих систем:

– одна имеет узкий диапазон максимальной эффективности (наибольший КПД), но резко теряет её при выходе за этот диапазон;

– а вторая обладает способностью быстро адаптироваться к переменным условиям надсистемы, хотя и менее эффективна,

то их объединение следует строить так, чтобы первая система работала в своём оптимальном режиме, обеспечивая гарантированную производительность, а вторая подключалась при необходимости, покрывая пиковые потребления.

Пример 1

На предприятии4 есть, как собственная котельная, так и возможность добирать тепло из центральной системы отопления города. Почему бы не построить еще одну котельную, и не обеспечить себя «дешевым» теплом полностью, тем более что газ уже проведен? Давайте посчитаем! Котельная, которая работает 6—7 месяцев в году, окупается за 3 года! А вот если котельная работает менее 4 месяцев в году, то она принципиально не окупает вложенные инвестиции и затраты на эксплуатацию.

А теперь оценим ситуацию. Производственные цеха не нуждаются в отоплении 5 месяцев в году (середина мая по середину октября). Не слишком низкие уральские температуры с начала марта по середину мая, и с середины октября по конец ноября позволяют обходиться существующей собственной котельной, а вот три месяца в году, в зависимости от температуры мы добираем тепло из теплоцентрали. Вот и получается, что строительство второй котельной просто экономически невыгодно!

Следствие. Если возможно накопление ресурса (энергии, вещества) для второй системы за счет первой, то можно увеличить стационарную составляющую первой системы до средней мощности в надсистеме. При недозагрузке первой системы избыток идет в накопление, а при перегрузке – будет расходоваться накопленный ресурс.

Пример 2.

Гибридные автомашины. Расход топлива при повышенных скоростях в 1,5 раза больше, чем при оптимальной скорости. Повышен расход и на низких скоростях. Решение объединить ДВС и электромотор позволяет заставить ДВС работать всегда в оптимальном режиме!

Рис. 11. Toyota Prius v Hybrid

При низких скоростях и на старте работает электродвигатель, при высоких он дает дополнительную энергию, чтобы обеспечить скоростной режим. При низких скоростях ДВС заряжает аккумуляторы машины, закачивает избыточную энергию в аккумуляторы.

Пример 3

Загорская гидроаккумулирующая электростанция. Станция связана с Костромской энергосистемой, и ее конструкция включает два бассейна – верхний и нижний. При повышенном потреблении энергии в сети, турбины электростанции вырабатывают электроэнергию. При снижении потребности электроэнергии в энергосистеме, избыток энергии заставляет работать насосы, закачивающие воду в верхний бассейн. КПД станции составляет 70—75%, но оптимизация работы ГРЭС в энергосистеме полностью компенсирует эти потери.

Рис. 12. Гидроаккумулирующая станция в Шотландии

Пример 4.

Солнечные батареи становятся все более эффективными. Но у них есть недостаток – они работают днем, в то время как основное бытовое потребление электроэнергии требуется в темное время суток. Компания «Tesla Motors Inc.» разработала мощные аккумуляторы емкостью 7—10 киловатт-часов, которые способны запасать энергию, вырабатываемую днем солнечными батареями, и отдают ее по мере необходимости.

По мнению специалистов Tesla, связка «солнечные батареи + аккумуляторы» способна радикально изменить структуру потребления электроэнергии. Габариты устройства – 130х86х18 см – позволяют устанавливать аккумулятор на стене дома, в то время как солнечные батареи устанавливаются на крыше дома.

Рис. 13. Аккумулятор «Тесла» для дома

Если же вырабатываемой солнечными батареями энергии не хватает, то можно использовать дизель-генератор, который также будет работать в оптимальном режиме, подзаряжая батареи, когда они разряжаются ниже некоторого предела.

1.6. Самооптимизация

Колёса железнодорожного вагона в процессе эксплуатации быстро приобретают оптимальную форму, независимо от исходной геометрии. Поэтому изготавливать их с избыточно высокой точностью нецелесообразно – это позволяет существенно сократить затраты.

Рис. 14. Самооптимизация железнодорожных колес

МКС. В трущейся паре всегда происходит притирка деталей. Если одна из деталей значительно массивнее или жёстче другой, притирка будет происходить за счёт второй детали. В этом случае нецелесообразно затрачивать большие усилия на получение второй части пары с высокой точностью. Трущаяся пара сама обеспечит оптимальную форму контакта.

Пример

Лопатка турбины изготавливается с концом из более мягкого металла с небольшим запасом по размеру. При работе турбины избыточная часть на конце лопатки быстро истирается о твердый корпус, обеспечивая минимальный зазор между ротором турбины и корпусом.

Рис. 15. Турбинная лопатка

Собственно говоря, это в чистом виде реализация идеального конечного результата, когда объект сам приобретает нужную форму. Если немного повысить уровень абстракции, то можно создать более общую формулировку модели задачи-аналога:

МКС. Если трудно обеспечить нужные характеристики (свойства) объекта принудительно, то попробуйте найти решение, при котором инструмент (действие поля инструмента) сам будет придавать объекту нужные оптимальные свойства.

Пример – Очки-хамелеоны

Очки с фотохромными линзами, которые меняют степень затемнения в зависимости от освещённости, называют очками-хамелеонами.

В тёмное время суток и в помещении их линзы остаются прозрачными. На улице днём они автоматически затемняются, а под ярким солнечным светом становятся практически эквивалентом солнцезащитных очков.

Это происходит благодаря молекулам с фотохромной структурой (например, монокристаллы галогенов серебра), встроенным в стекло линз. Под воздействием ультрафиолетовых лучей эти молекулы изменяют свою пространственную конфигурацию и начинают хуже пропускать свет – в результате линзы «темнеют».

Когда УФ-излучение исчезает, молекулы возвращаются в исходное состояние, и линзы снова становятся прозрачными.

Заметим, что такие стекла эффективно работают и в окнах, которые создают комфортные условия в комнатах, и особенно на верандах.

Есть и другие примеры реализации этого микростандарта.

– Термоиндикаторная краска. Краски, содержащие термохромные пигменты, сами меняют цвет при нагревании или охлаждении.

МКС-эффект: объект сам сообщает о температуре за счёт «умного» вещества.

– Сплавы с эффектом памяти формы, которые при деформации остаются согнутыми, а при нагреве возвращаются к исходной форме.

МКС-эффект: объект сам восстанавливает нужную форму.

– Гигроскопичные материалы, реагирующие на влажность, например, жалюзи или вентиляционные клапаны, которые открываются/закрываются сами, потому что материал увеличивается в размере при повышении влажности.

МКС-эффект: влажность сама регулирует вентиляцию.

1.7. Быстрее, чем сосед…

Бегут от медведя два незадачливых охотника, наконец, один устав говорит другому:

– А зачем бежим, он все равно бежит быстрее нас?

– Главное для меня бежать не быстрее его, а быстрее тебя!

Рис. 16. Главное для меня бежать быстрее тебя!

Для взрывоопасных помещений необходимо использовать легкосбрасываемые панели – конструкции, которые в обычных условиях выполняют свою функцию теплоизоляции, но при взрыве быстро сбрасываются, предотвращая опасное повышение давления внутри помещения. Крепёж таких панелей рассчитан на стандартные эксплуатационные нагрузки, но не должен выдерживать избыточное давление, возникающее при взрыве. Поэтому крепление этих панелей выполняется на ослабленных болтах (болты с проточкой).

Рис. 17. Крепежный болт с проточкой

МКС. Если существует опасность неуправляемого выхода из строя одной из частей системы в экстремальной ситуации, то одним из вариантов защиты может быть модифицирование одного из элементов (наименее ценного), который будет более восприимчив к разрушению под возможным вредным действием, выполняя не только свою функцию, но и функцию «предохранителя», защищая систему в целом.

Пример-шутка

Чтобы выжить в поле во время грозы, достаточно взять с собой высокую подругу…

1.8. Обрабатывать в упаковке

Если вам нужно отбить мясо, но при этом не испачкать все вокруг, достаточно предварительно поместив его в пластиковый пакет. Пакет будет пропускать удары молотка, что позволит хорошо отбить мясо, но не допустит, чтобы брызги летели во все стороны.

МКС. Если в процессе обработки изделия, помимо полезного действия по воздействию на весь объём, возникает вредное действие, проявляющееся с поверхности (разбрызгивание, испарение, пыление и др.), то следует ввести упаковку, которая не помешает полезному действию процесса, но будет препятствовать вредному и легко удаляется после процесса (или во время процесса).

Пример

Бракованный порошок никеля трудно переплавить. Во время нагрева он быстро окисляется и лишь половина его плавится и попадает в жидкий металл. Остальной металл уходит с отходящими газами в виде пыли, а также переходит в шлак. Чтобы избежать потерь, предложено «упаковывать» порошок в «ящик» из листа никеля и вместе с ящиком отправлять в печь. При этом почти весь порошок никеля попадает в расплавленный металл.

Пример

При запекании картофеля в микроволновке он нагревается неравномерно и может развалиться. Но… придумана специальная пластиковая пленка, в которую можно завернуть картофель. В такой упаковке можно спокойно помещать картофелины в микроволновку. Они не развалятся. Токи высокой частоты нагреют их равномерно, а вся влага останется внутри.

Рис. 18. Картофель в пластиковой упаковке для запекания в микроволновке

Замечание. Главное в этом микростандарте – найти подходящую упаковку.

1.9. Суррогат

– Господа, давайте искупаем коня в шампанском!

– Поручик, денег нет, три месяца за квартиру не платим!

– Тогда давайте хотя бы кота пивом обольем!

Под суррогатом понимают – неполноценный заменитель чего-либо, и часто это несет негативный оттенок. Однако такое отношение во многих случаях – предубеждение, с которым стоит бороться.

С началом Первой Мировой войны в русскую армию были призваны миллионы солдат. И тут возникла проблема – как обуть армию? Ботинки – неудобны, а кожи для пошива сапог не хватает. Положение спасло изобретение Михаила Поморцева. Он взял брезент, пропитал его смесью канифоли, парафина и яичного желтка, и получил материал, по свойствам близкий к коже. Он не пропускал воду, но зато, в отличие от резины, пропускал воздух. Разумеется, этот материал уступал по свойствам натуральной коже, но зато был дешевым и мог производиться в больших количествах. Материал получил название «кирза», а кирзовые сапоги до сих пор остаются на вооружении российской армии.

Рис. 19. Кирзовые сапоги

МКС. Если материал для изготовления изделия слишком дорог, или его количество ограничено, то решение может быть в его замене на суррогат, который, хотя и уступает по некоторым свойствам, но в достаточной степени выполняет главную функцию, а при этом более дешевый и доступный.

Пример

Примерами замены тканей могут быть искусственный шелк, вискоза и другие. Они уступают по качеству натуральным, но намного дешевле, и поэтому пользуются спросом.

Пример

Натуральный латекс обладает замечательными свойствами, в том числе, сок гевеи обладает антибактериальными свойствами. Такие материалы незаменимы при изготовлении детских товаров. К сожалению, потребность в латексе и каучуке многократно превышает его производство. Поэтому там, где нет острой необходимости в уникальных свойствах натурального латекса, используются суррогаты в виде искусственного латекса (высокоэластичных пенополиуретанов) и синтетического каучука. Стоит заметить, что в условиях Великой Отечественной войны, именно синтетический каучук использовался на всех танках советской армии.

Рис. 20. Катки танка Т-34 – литая сталь, покрытая каучуком

Пример

Все знают, что винные бутылки традиционно закупоривали пробкой из коры пробкового дуба. Но с ростом потребления вина,

Рис. 21. Винная пробка из натуральной коры пробкового дерева и искусственная

натуральной пробки стало не хватать. Именно поэтому, на дешевых винах стали применять искусственную пробку – особый вид пластика. Она немного уступает качеству натуральной пробке, но зато более технологичная при изготовлении и дешевая.

1.10. Временный суррогат с заменой

Особой разновидностью суррогатов, могут быть материалы, используемые временно, с последующей постепенной заменой на натуральные в процессе работы системы. Особенно часто это прием используется в медицине.

При ожогах большой площади кожи, человек может погибнуть, а пересадка кожи невозможна, поскольку ее просто не хватает по причине ее недостаточности и несовместимости тканей. Но кожа жизненно необходима – она защищает организм от инфекции и обеспечивает дополнительное «дыхание». Что делать?

Ученые нашли выход – искусственная кожа. Это материал, близкий по структуре к человеческой коже и частично выполняющий её функции. Для изготовления искусственной кожи используется коллаген, который выделяется из телячьей кожи. Разумеется, надо следить за совместимостью (и тут прямая аналогия с группами крови, когда всегда можно подобрать совместимый материал).

«Искусственная кожа» – временная защита. Она спасает человека в критический момент, когда он получил большие ожоги и есть опасность ожоговой болезни. Постепенно кожа человека восстанавливается, и необходимость в суррогатной коже отпадает. Она постепенно отмирает и отпадает, по мере замены собственной новой кожей человека.

МКС. Если противоречие состоит в том, что необходимо определенное вещество, которого нет в наличии в необходимом количестве, то следует поискать заменитель (суррогат), который временно будет выполнять (полностью или частично) функцию требуемого вещества, но со временем суррогат будет заменен основным веществом.

Замечание. Замену основного вещества на суррогат целесообразно принимать в критических ситуациях, когда не хватает основного вещества.

Пример

При большой потере крови у человека резко снижается кровяное давление, что может привести к смерти пациента. Чтобы избежать этого, в кровеносную систему вводят физиологический раствор (раствор соли). Разумеется, физиологический раствор не может переносить кислород, но зато поддерживает рабочее кровяное давление. Со временем он выводится из организма, и заменяется кровью, которую постепенно вырабатывает организм.

Замечание. Иногда вместо физиологического раствора вводят перфторан – заменитель крови. Кроме свойства поддержания давления, перфторан может еще и переносить кислород. Хотя в полной мере и перфторан не заменяет кровь.

Пример

В хирургии полостных органов – кровеносных сосудов, кишечника, пищевода, трахеи – часто применяется замена отдельных их участков трубчатыми протезами из синтетических полимеров. Они должны обеспечить изоляцию субстрата, находящегося внутри полости (пищи, воздуха, крови), от окружающих тканей организма.

Как и всякое инородное тело, трубчатые протезы постепенно покрываются снаружи и изнутри капсулой из соединительной ткани. Но при значительной длине протеза внутренняя часть этой капсулы недостаточно хорошо снабжается кровью, что вызывает ее дистрофию и медленное отмирание.

Химики и врачи нашли остроумный способ устранить противоречие между необходимостью протеза быть пористым (для врастания тканей) и непористым (для герметичности). Трубчатый протез изготавливается из двух компонентов. Один – пористый каркас, а другой – медленно рассасывающийся в организме полимер, заполняющий поры каркаса.

По мере растворения, материал заменяется тканями организма, в том числе мелкими кровеносными сосудами. Так постепенно формируется полноценная ткань органа, которая срастается с тканями организма, не вызывая отторжения и некроза.

Рис 22. Аорта

1.11. Добавить до годного

Часто при отливке изделий образуются отходы в виде литников, которые приходится отправлять в переплавку. Чтобы не терять ценное сырье, предлагается придумать такую форму литника, чтобы отходы использовать по назначению в качестве заготовок для чего-либо.

МКС. Если при изготовлении заготовки (мерная нарезка с остатком, выштамповка с отходами от дыр, отливка с литником и т.п.) получается много отходов, то рекомендуется так изменить размер или форму заготовки, чтобы отходы можно было использовать в качестве заготовки (как исходном процессе, так и в другом месте по другому назначению) или, чтобы они просто исчезли. Возможные вариации микростандарта:

– сделать так, чтобы нарезке получились только мерные длины (Пример 1);

– изменить заготовки так, чтобы при штамповке отходы стали заготовками;

– сделать форму отрезаемых частей отливок такой, чтобы их можно было использовать в качестве заготовок.

Пример 1

При производстве вагон-домов «Группы Техмаш» использовался гнутый швеллер с полкой 160 мм. Стандартная длина заготовки 12 метров. Но если получать такую заготовку, то будет много отходов, ведь блоки были 3х8 метров, а значит из одной исходной заготовки проката получались две заготовки под сварку – 3 и 8 метров, правда еще 200 мм от конца заготовки приходится обрезать для выравнивания, но все равно 800 мм – отход, который невозможно использовать. Решение пришло простое – заказывать заготовку длиной 11 200 мм. Чистая экономия металла составила 7%.

Пример 2

При отливке пластиковых изделий в отходы попадали литники – материал, остающийся в трубке, через которую жидкий пластик попадал в форму. Инженеры предложили решение – сделать литники в форме букв, и использовать отходы для изготовления букв для детской азбуки.

.

Пример 3

Из прутка на токарном станке нарезали заготовки определенной длины, снимая фаску на концах. Поэтому всегда конец прутка, за который удерживался пруток, шел в отходы. Обычно инженеры стремились минимизировать это конец прутка. Так было до тех пор, пока один инженер предложил противоположное решение: сделать этот конец прутка равным длине изделия, чтобы можно было использовать его как полноценную заготовку, удерживая пруток уже за предпоследний участок. В результате отходы превращались в полезные заготовки.

1.12. Как удалить микрозагрязнения из нефтестоков

Крупные загрязнения легко убрать из воды с помощью разных механических фильтров. Но микронные частицы нефти, пыли и других включений легко проходят через механические фильтры. Чтобы избавиться от таких загрязнений, их необходимо коагулировать.

Одной из серьезных проблем на производствах является очистка стоков, содержащих нефтепродукты. Это ливневые стоки на предприятиях и городских улицах, в которые попадают машинное масло, бензин и другие нефтепродукты. Содержание нефтепродуктов в стоках крайне мало, что затрудняет их очистку, но при этом предельно допустимые концентрации существенно превышаются.

В России разработана и внедрена эффективная технология очистки загрязненных стоков. Стоки насыщают воздухом под давлением 5—6 атмосфер. При таком давлении в объеме стоков находится соответственно в 5—6 раз больше воздуха, чем может быть растворено, при обычном атмосферном давлении. Затем, давление резко сбрасывается, когда стоки выбрасываются через форсунку в общий бак. При этом избыточный растворенный воздух начинает выделяться во всем объеме жидкости в виде мельчайших пузырьков, центрами возникновения которых являются любые несплошности воды, каковыми и являются микрозагрязнения. Появившийся пузырек начинает расти и поднимается на поверхность в виде пены, увлекая за собой микрозагрязнение, на котором он появился. Остается только собрать пену с поверхности, и вода оказывается очищенной от 98% загрязнений.

Замечание. Выделяющийся газ использует микрозагрязнения как центры для перехода в газовую фазу. Поэтому большинство загрязнений всплывает и может быть легко удалено.

МКС. Для эффективного удаления микрочастиц из жидкости создать объемный процесс улавливания. Один из вариантов создания равномерного объемного процесса – создать избыточное растворение газа в жидкости, за счет повышения давления. Растворенный газ будет выделяться во всем объеме жидкости после резкого сброса давления в виде микропузырьков, которые образуются на микрозагрязнениях, имеющихся в воде.

Пример

Обычно озонирование проводят, продувая обогащенным озоном воздух через воду. Но гораздо эффективнее растворять воздух, обогащенный озоном в воде под давлением, а затем сбрасывать давление. Равномерно распределенный по объему воды озон будет выделяться в виде микропузырьков по всему объему и действовать гораздо более эффективно. Кроме этого, пузырьки будут захватывать загрязнения, что позволит их удалять в виде пены.

1.13. Превратим плоское в ребристое

Можно ли поставить стакан на обычный лист бумаги так, чтобы он опирался на два других стакана, но находился между ними? Задача, неразрешимая, пока лист плоский, легко решается, если из плоского листа сделать ребристую поверхность. Боковая нагрузка больше не будет вызывать потерю устойчивости.

Рис. 23. Стакан на ребристом листе бумаги

МКС. Если прочность плоской конструкции под нагрузкой определяется ее устойчивостью, то ее устойчивость может быть обеспечена переходом к дополнительному измерению, за счет придания листу ребер жесткости.

Рис. 24. Ребра жесткости на Хундай

Пример 1

Ребро жесткости на боковине автомобиля повышают прочность при боковом ударе.

Пример 2

Профнастил обладает высокой жёсткостью именно благодаря профилю волны. Он отлично сопротивляется боковым нагрузкам, несмотря на сравнительно малую толщину металла.

Рис. 25. Изготовление профнастила и забор из него

Пример 3

Зиги – рёбра жёсткости, формируемые деформацией на плоских или цилиндрических поверхностях, – многократно увеличивают жёсткость и устойчивость изделий.