2. Теория решения изобретательских задач

ТРИЗ разработана Г.С. Альтшуллером и активно совершенствуется его учениками [1,5,11,12]. Органической частью ТРИЗ является алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) - программа последовательной обработки задач, удовлетворяющая следующим требованиям:

1. Основывается на сознательном использовании законов развития ТС.

2. Позволяет без перебора вариантов сводить задачи высших уровней к задачам первого уровня.

3. Для нахождения физических противоречий программа содержит операторы, позволяющие их определять.

4. Для преодоления физических противоречий программа имеет информационный фонд, включающий набор приемов и таблиц использования приемов в зависимости от типа задачи или содержащегося в ней противоречия.

5. Информационный фонд включает также списки и таблицы применения физэффектов.

6. Программа имеет средства управления психологическими факторами, средства активации воображения и средства преодоления психологической инерции.

В целом АРИЗ организует мышление изобретателя так, как будто в распоряжении одного человека имеется опыт многих изобретателей.

2.1. Уровни изобретательских задач

Задачам первого уровня характерно применение средств (устройств, способов и веществ), которые прямо предназначены именно для данной цели, причем решение не связано с устранением технических противоречий. На этом уровне получают мельчайшие изобретения, незначительно меняющие объект, причем средства решения лежат в пределах одной профессии и поэтому решение задачи по силу каждому специалисту. Например, в печи находится расплавленный металл, а в центральную часть ванны подводится трубопровод для жидкого кислорода, при этом необходимо, чтобы кислород в трубе не газифицировался вплоть до выхода в металл. Решение: "устройство для подачи жидкого кислорода в металл, выполненное в виде четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке, внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной 1520 мм (а. с. 317707). Для теплотехника это решение очевидно: необходимо применить теплоизоляцию и оптимизировать ее по толщине [11]. В задачах первого уровня объект (устройство или способ) не изменяется (например, усиливается уже имеющаяся теплоизоляция). При этом решение задачи требует перебора нескольких очевидных вариантов.

В задачах второго уровня объект изменяется, но не сильно, при этом получают мелкие изобретения способами, известными в данной отрасли. Такие задачи имеют технические противоречия, легко преодолеваемые с помощью способов, известных применительно к родственным системам. Например, электрическая дуга мешает сварщику наблюдать за металлургическими процессами в зоне сварки. Свет дуги забивает менее яркие капли металла, шов. Необходимо улучшить условия наблюдения без усложнения аппаратуры (использования дополнительных светильников для освещения зоны сварки) и снижения производительности (периодического отключения дуги). Решение: "устройство для защиты глаз и лица сварщика, содержащее корпус и рамку с встроенным в нее светофильтром, отличающееся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фокусирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зоне расплавления (а. с. № 252549). Для решения подобных задач необходим перебор 5070 вариантов с частичным изменением только одного элемента системы.

В задачах третьего уровня в объекте изменяется полностью один из элементов и получают среднего уровня изобретения, причем способами, известными в пределах одной науки, т.е. механическая задача решается механически и т.д. Например, "винтовая пара, состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения трения между ними во время работы, винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, а в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта (а. с. № 154459). При решении задач данного уровня перебирают уже сотни вариантов, с получением средних изобретений.

В изобретениях четвертого уровня объект меняется полностью, причем синтезируются новые технические системы, с получением крупных изобретений. Решаются такие задачи, как правило, средствами выходящими за пределы науки к которой относится задача (механическая задача решается химически). Например, при контроле износа двигателя, время от времени, отбираются пробы масла и определяется содержание в нем металлических частиц. Решение: для непрерывного контроля в масло добавляют люминофоры и по изменению свечения за счет гашения частицами металла, непрерывно контролируют их концентрацию (а. с. № 260249).

В задачах пятого уровня меняется вся техническая система, в которую входит объект и получают крупнейшие изобретения. При этом, создаются новые отрасли производства, например, изобретения (разные по уровню технической сложности): самолета, телефона, киносъемки, лазера, шариковой ручки. Например, применение монокристаллов сплавов медь-алюминий-никель или медь-алюминий-марганец в качестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры (а. с. № 412397). Существуют твердые вещества меняющие свои свойства при изменении температуры, но, веществ сильно изменяющихся при небольших перепадах температур известно не было и их получение граничит с открытием. Подобные преобразователи можно использовать в тепловых двигателях, теплоизмерительных приборах. При решении таких задач число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов. Например, Т. Эдисону пришлось поставить 50000 опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор.

Возникает вопрос: если кто-то делает изобретения высших уровней, значит им удается перебрать миллион вариантов? На самом деле действует эстафетный механизм - при решении задачи на 100000 проб первый исследователь перебрал в течение всей жизни 10000 вариантов и ничего не нашел, затем - второй и т.д. Задача приобретает репутацию неразрешимой, на самом деле она упрощается, и, в конце концов, решается. Неудачники, решавшие задачу в начале эстафеты, могли быть даже более способными, но им досталось большое поисковое поле или возникли искусственные административные барьеры. Например, в 1951 году группа инженеров подала заявку на способ генерирования концентрированных пучков электромагнитной энергии, однако, переписка по заявке продолжалась почти 10 лет. За это время, два ныне известных академика, удачно опубликовали за рубежом почти те же результаты и получили Нобелевскую премию. Иногда сложность задачи определяется тем, что она относится к одной области, а для ее решения необходимы знания из другой области. Например, немецкий химик Крукс в 1898 году поставил задачу связывания атмосферного азота и предпринял попытки ее решения. Норвежский специалист по полярным сияниям Биркеланд случайно увидел его публикации и разработал процессы связывания азота на основе явлений происходящих в верхней атмосфере.

Необходимо учитывать качественную разницу между задачами разного уровня: 1) средства решения на первом уровне находятся в пределах одной узкой специальности; 2) для задач второго уровня – они относятся к одной отрасли техники; 3) для задач третьего уровня - в других отраслях (например, при испытаниях теплозащитных материалов, используемых в головках баллистических ракет и защитных плитках космического челнока "Буран", проводимых составителем данного материала, необходимо было получить высокотемпературный поток с равномерным распределением температур и скоростей по сечению. Существующие генераторы давали высокий градиент температур по сечению струи, поэтому было предложено использовать сопло, имеющее вращательное и возвратно-поступательное перемещение. Был проведен патентный поиск, составлена и отправлена заявка на изобретение. Однако экспертиза противопоставила точно такое же сопло, используемое в кондитерском производстве для равномерного выдавливания крема. Заявку, после долгой переписки, пришлось закрыть); 4) решение задач четвертого уровня необходимо искать среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений; 5) на пятом уровне средства решения задач находятся за пределами современной науки, поэтому необходимо вначале сделать открытие, а затем решать задачу.

Таким образом, при решении проблем необходимо уметь сужать поисковые поля и переводить изобретательские задачи с высших уровней на низшие, где уже срабатывают методы перебора вариантов.