книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения

разработки: 1 ) тонкая пластинка, армированная непра­ вильно расположенными продольными трубками; 2 ) труб­ ки вытягиваются вдоль надкрылья; 3) число трубок уменьшается, а сами они превращаются в ребра жест­ кости; 4) ребра жесткости делаются шире в верхней ча­ сти; 5) верхние части ребер сливаются, получается рам­ ная конструкция с вертикальными полыми колонками. Конструкция легкая и весьма прочная»..

На рис. 32, б показано развитие перекрытий здания. Нетрудно заметить, как много общего в развитии двух конструкций — природной и инженерной. Совпадение, ко­ нечно, не случайное: цели одинаковые (легкость, проч­ ность) , поэтому и решения сходны.

ВАРИЗ-71 бионическому методу отведена относи­ тельно скромная роль. Но бионика быстро развивается. Увеличивается количество опубликованных работ, посте­ пенно расшифровываются «патенты» природы, нащупы­ ваются общие принципы, лежащие в основе решения при­ родой ее изобретательских задач.

Вближайшие годы появится возможность значи­ тельно усовершенствовать и развить эту часть алгоритма. Тогда алгоритм пополнится весьма эффективной табли­ цей, показывающей, как то или иное противоречие устра­ няется по «патентам» природы.

ЛОМАЯ СТАРУЮ ФОРМУ

Изобретение не самоцель, оно нужно для решения той или иной практической задачи. Из двух изобретений, дающих одинаковый технический результат, вообще го­ воря, предпочтительнее то, которое развивает уже извест­ ную модель, опирается на уже отработанную технологию. Такое изобретение легче внедрить, оно дает больший экономический эффект.

Как же в таком случае происходит нередкий в наше время переход к «совсем новым», оригинальным маши­ нам?

Иногда такие машины создаются на основе новых на-- учных открытий, но значительно чаще они возникают из старых, подобно тому, как бабочка возникает из совсем непохожей на нее куколки.

Обозначим исходную модель машины ^имволом А ѵ Она состоит из отдельных чабтей, например двигателя, трансмиссии, органов управления, рабочих органов. Каждая часть имеет несколько узлов (так, трансмиссия автомашины, например, включает сцепление, коробку пе­ редач, карданный вал и т. д.), каждый узел состоит из деталей.

Изобретение может относиться к деталям, узлам или частям машины. Полученный при этом эффект отнюдь не определяется тем, на каком уровне сделано изобрете­ ние. В результате частичных изобретений машина посте­ пенно совершенствуется, что символически можно изо­ бразить таким рядом: Au À2, Аг, Ai... Ап . Наконец появ­

ляется изобретение Ап+1, которое хотя и относится (как все предыдущие) к одной детали (узлу, части) машины, но вызывает необходимость (или открывает возмож­

Обычно новая техническая идея относится к какой-то одной части исходного объекта. Но это частичное изме­ нение нередко создает возможность (а порой и вызывает необходимость) соответственно изменить другие части объекта, работающие совместно с измененной частью. Более того, появляется возможность изменить и ме­ т о д ы и с п о л ь з о в а н и я всего объекта. Происходит своего рода цепная реакция: первоначальное частичное изменение влечет за собой цепочку других изменений. В результате слабая вначале идея крепнет, становится более сильной.

Изобретатель приступает к этой (синтетической) ста­ дии творческой работы после того, как найдена техниче­ ская идея, решающая поставленную задачу. В большин­ стве случаев идея сначала бывает «частичной» — мо­ дель А4 переходит в Л5 . Однако переход к Л5 создает воз­ можность сделать еще один или несколько очевидных шагов: изменить одну часть (например, сделать легче, компактнее) или по-новому расположить. Приложив уси­ лия, чтобы прийти от А і к Аъ, изобретатель как бы по­ лучает право на относительно легкий переход от Л 5 к Л s

или А7. В некоторых случаях можно даже сразу перейти от A s к Б 1.

К сожалению, найденная идея чаще всего исполь­ зуется далеко не в той мере, в какой это возможно и сле­ довало бы сделать. Изобретатель совершает лишь пере­ ход от Л 'п к Л 11+1 и на этом останавливается. Между тем новая модель машины А п + 1 уже созрела для существен­ ных изменений: кокон может превратиться в бабочку, но остается коконом из-за инерции изобретательского мыш­ ления.

На рис. 33 изображен первый мотороллер, созданный в 1920 году. Нетрудно заметить, что это обычный детский самокат, на котором установлен двигатель. Самокаты тоже появились не сразу. Применяя нашу символику, это ряд моделей А\, А2, Л3... Ап. Когда на самокат поставили двигатель, модель А апревратилась в А п+1. Однако са­ мокат остался самокатом: другие его части (и, следова­ тельно, машина в целом) не претерпели изменений.

Конечно, самокат с двигателем лучше обыкновенного. Но возможности частичной идеи были использованы очень слабо. Обратите внимание, например, на высоко расположенное седло. Раньше такое расположение седла

вызывалось необходимостью: человек, выполнявший обязан­ ности двигателя, должен был стоять — это его р а б о ч а я по­ за. Затем совершился переход от А п к А п+1 : на самокат по­ ставили двигатель внутреннего сгорания. Для чего теперь нуж­ но высокое седло? Ведь води­ телю нет необходимости стоять, он может сидеть. А опустить седло — значит уменьшить вы­ соту центра тяжести, сделать машину более устойчивой и лучше управляемой. Это, в свою очередь, даст возмож­ ность использовать более мощ­ ный двигатель, для которого, собственно, уже освободилось место под. сиденьем водителя (ноги «ушли» вперед, под си­ деньем образовалось свободное пространство). Стоящего во весь рост человека не при­ кроешь обтекателем — получит­ ся нечто слишком громоздкое. Другое дело, если водитель сидит: можно поставить обте­ каемые щитки, которые значи­ тельно уменьшат сопротивле­ ние движению.

Так изобретение, меняющее одну часть машины (дви­ гатель), приводит к каскаду изменений в других частях и, следовательно, во всей машине. Впрочем, вместо «приво­ дит» правильнее сказать «могло привести». На практике

к тому свободному пространству, которое словно специ­ ально для него предназначалось. Одна из таких проме­ жуточных моделей показана на рис. 33, б. Двигатель уже

«ушел» с переднего колеса, но еще не «пришел» к заднему. Водитель почти сидит на двигателе, а под креслом остается свободное пространство...

Около трех десятилетий мотороллер был только дико­ винной забавой. В самом деле, если все равно прихо­ дится сидеть верхом на двигателе, то зачем нужен мото­ роллер, когда существуют мотоциклы?.. Но вот двига­ тель, завершив путешествие, ушел под седло моторол­ лера. Машина приобрела современный вид (рис. 33, в) и новые качества, которых нет у мотоцикла. Оказалось возможным полностью закрыть мотор. Освободилось очень удобное, прикрытое щитками место для ног води­ теля. Машина стала устойчивой, комфортабельной. На ней можно ездить даже в белой одежде. И мотороллер начал успешно (особенно в городах) конкурировать с мотоциклом.

История мотороллера — не исключение. В подавляю­ щем большинстве случаев изобретатели, решив задачу и внеся в объект то .или иное частичное изменение, воздер­ живаются от других изменений, казалось бы очевидных и закономерных. Так, первые автомобили были сделаны из обычных колясок: выпрягли лошадей и «впрягли» мо­ тор,- У некоторых конструкций в передней части был даже расположен макет торса лошади!

Первый мотоцикл был велосипедом обычной для сво­ его времени конструкции. Единственное отличие состояло в том, что на педали жал не человек, а двигатель внут­ реннего сгорания.

На рис. 34 изображено одно из новейших изобре­ тений— машина для шовной сварки эластичного пла­ стиката. Ультрасовременная (и прогрессивная!) идея использования токов высокой частоты для сварки пласт­ массовых изделий облечена в допотопную конструктив­ ную форму. Пока пластмассовые детали изделий соеди­ нялись нитками, годилась обычная швейная машина. Но вот рабочий орган машины кардинально изменен —

а о стремительном рывке от ряда А к ряду Б и даже В. Однако стремительного рывка не последовало' — была создала типичная «автолошадь».

Рис. 34: Ультрасовременная идея облечена в архаическую конструктивную форму.

Традиционная компоновка швейной .машины была обусловлена тем, что функции двигателя выполнял чело­ век. Правой рукой он крутил вал машины, а левой регу­ лировал подачу ткани под иглу. При ножном приводе эта крмпоновка тоже была целесообразна. Однако в ма­ шине, изображенной на рис. 34, шов образуется под дей­ ствием токов высокой частоты, почему же т е п е р ь чело­ век должен сидеть так, как он сидел, работая в качестве двигателя?!

Если электроаппаратуру спрятать под машину, вся установка станет значительно компактнее, ее можно бу­ дет прикрыть одним кожухом. А сидеть удобнее слева, в непосредственной близости к рабочему органу маши­ ны,— с этой стороны и должен находиться человек, об­ служивающий сварочную машину для пластмассовых из­ делий.

* * *

Синтетическая стадия своеобразна. В' отличие от пре­ дыдущих она, вообще говоря, не обязательна. Новая тех­ ническая идея, решающая изобретательскую задачу, воз­ никает до синтетической стадии. А когда идея найдена, можно сразу переходить к ее конструкторской разра­ ботке. В большинстве случаев так именно и поступают. В результате изобретение остается частичным, хотя могло'

Рис. 35. Приставка-обтекатель.

бы стать первым звеном в длинной цепочке других изо­ бретений.

Был, например, предложен способ толкать буксиром не одну баржу, а две, поставленные борт о борт. Однако при этом между носовыми оконечностями барж получа­ лась широкая впадина, тормозящая движение состава. Казалось бы, сам собой напрашивался следующий шаг: надо прикрыть впадину приставкой, которая обеспечит обтекаемость (рис. 35). Однако эта идея (авторское сви­ детельство № 288575) появилась совсем недавно.

Своеобразие синтетической стадии в том, что ее шаги независимы друг от друга и просты, главное — не забыть их сделать. Но это опять-таки своеобразная простота. Предположим, что новая техническая идея привела от машины Аъ к А а. Тогда в результате синтетической ста­ дии почти каждый изобретатель может прийти от Л4 к Л5. Дальнейшее же продвижение всецело зависит от объема знаний (теоретических или приобретенных в процессе производственного опыта).

* * *

Взяв прототипом объект Ап,изобретатель может по­ ставить две разные задачи. Можно сформулировать за­ дачу так: «Перейти от А п к Ап+1 или даже, развив най­ денную идею, к Ап+г». А можно поставить задачу иначе: «Минуя весь ряд от Аа+г до An+m, сразу выйти к Б і».

Иногда спрашивают: что лучше — совершенствовать имеющуюся машину (способ) или искать нечто совер­ шенно новое? С таким же успехом можно допытываться: что лучше — стрелять на пять метров или на пятьсот километров?..

Все зависит от конкретных условий, и прежде всего от целей, которые ставит перед собой изобретатель или коллектив, решающий изобретательскую задачу. Если нужно, чтобы задача была решена как можно быстрее, то целесообразнее совершенствовать прототип. ИК.Р в этом случае формулируется так: «То, что есть, минус недостатки» или «То, что есть, плюс некоторое улучше­ ние». При такой тактике задача решается сравнительно быстро (чаще всего на третьем уровне), а внедрение изобретения не вызывает особых трудностей. Если же нужно получить качественно новый эффект, целесообраз­ нее сразу отказаться от прототипа, навязываемого усло­ вием задачи. Прототипом должна быть идеальная ма­ шина (идеальный способ). В таких случаях объектом в ИКР часто бывает «внешняя среда»: «Внешняя среда сама,обеспечивает то-то и то-то». Слова «внешняя среда» помогают оторваться от старого, негодного прототипа и понять — что должна делать новая машина (новый спо­ соб), как она должна работать.

Действуя подобным образом, можно прийти к идее четвертого-пятого уровней. Но и внедрение изобретения потребует в этом случае значительно большего времени. Приходится «с нуля» разрабатывать конструкцию, мно­ гократно испытывать и переделывать ее, преодолевать недоверие и сомнения тех, кто привык оставаться в рам­ ках совершенствования старого прототипа.

• Оба пути хороши — в зависимости от конкретных об­ стоятельств. Но если вслед за Л„ должно идти не Л п+1, а Б\, то никакие попытки совершенствовать прототип (то есть изобретать, оставаясь в рамках Л и не переходя к ряду Б) не дадут положительного результата.

Историки техники и патентоведы подметили, что, когда прототип молод, он быстро и легко изменяется: за корот­ кое время появляется много изобретений, направленных на его улучшение. Наблюдается своего рода «патентный пик». На этой основе некоторые исследователи предла­ гали прогнозировать перспективы развития технических объектов: чем круче поднимается кривая выдачи патен­ тов и авторских свидетельств, тем перспективнее рассмат­ риваемый технический объект. К сожалению, когда ряд Ль Л2 ... подходит к Б, тоже возникает «патентный пик». Изобретатели напряженно работают, число изобретений быстро растет, но результаты почти неощутимы.

Сейчас такой «патентный пик» наблюдается, напри­ мер, в цементной промышленности. Современная цемент­ ная печь — гигантская вращающаяся труба (длина до 250 м, диаметр до 7 м). Вдоль трубы медленно передви­ гается поток сырья, а над ним несутся раскаленные газы. Даже неспециалист может представит^ насколько трудно передать тепло от газа к сырью: ведь газ соприкасается только с поверхностью сырьевого потока. Чтобы улуч­ шить условия теплопередачи (от этого зависит произво­ дительность печи), давно было предложено навешивать внутри печи цепные завесы. Металлические цепи помо­ гают переносу тепла от газа к сырью. После этого изобре­ тения наступила пауза, тянувшаяся десятки лет. Если хо­ тели улучшить теплопередачу, просто увеличивали коли­ чество цепей. В современной печи общий вес цепей свыше 100 тонн. И вот возник «патентный пик»: появился поток изобретений на тему «повесим цепи не так, а так».,. «Цеп­ ная завеса выполнена с дополнительными .цепями, за­ крепленными на основных цепях и свободно висящими между ними» (авторское свидетельство № 226453). «Концы цепей прикреплены к гибкому элементу, выпол­ ненному, например, из цепи» (260484). «Цепи другим концом прикреплены к корпусу печи» (310095). Цепи гро­ моздятся на цепи, как когда-то, до изобретения парохода, паруса громоздились на паруса...

Чем больше цепей будет в печи — тем большую долю тепла газов можно использовать. Но чем больше цепей — тем выше сопротивление движению газов. Чтобы газу было удобнее двигаться, цепей не должно быть вообще. А чтобы теплу удобнее было переходить от газа к сырью, все пространство печи должно быть заполнено цепями. Четко выраженное техническое противоречие! И если по­ ток однотипных изобретений не справляется с противоре­ чием, это верный признак, что возможности развития объекта (цепных завес) исчерпаны.

Для изобретателя (а тем более для коллектива, ре­ шающего технические задачи на уровне изобретений) чрезвычайно важно иметь представление о логике разви­ тия технических объектов. Это необходимо для прогнози­ рования новых технических задач, для ^ыбора между прямым и обходным путями решения, для правильного анализа задачи и успешной разработки найденной идеи.

Технических объектов много, и они очень разнородны.

Но есть нечто общее, присущее всем техническим объек­ там: все они являются системами. При системном под­ ходе технические объекты рассматриваются как целост­ ные организмы, подчиняющиеся общим законам разви­ тия. Карманный фонарик, двигатель, тепловоз, химиче­ ский завод, речной транспорт — все это примеры техни­

ческих систем. Внешне они нисколько не похожи друг на друга. Их объединяет то, что они системы, т. е. нечто большее, чем арифметическая сумма составных частей. Поясню аналогией. Молекула воды — система, а не ариф­ метическая сумма двух атомов водорода и одного атома

шина, шахта или сеть железных дорог — развивается в определенной последовательности. В приложении 2 дана общая схема развития технических систем. Давайте раз­ беремся в ней.

История любой технической системы начинается с того, что... системы еще нет. Это первый — досистемный — уровень. Изобретатели понемногу совершенствуют от­

дельные элементы А, £, В, хотя путем объединения эле­ ментов в систему можно получить новый эффект. Вот типичный пример. Чтобы сохранить корм, заготовленный на зиму для скота, нужно поддерживать определенную

температуру. В корме выделяется тепло, приходится вен­ тилировать и охлаждать кормохранилища; в этом на­

правлении много лет работали изобретатели в разных странах. Есть патенты на сложные (и не очень надеж­ ные) системы поддержания заданного режима. А тем временем другие изобретатели создавали системы утеп­ ления и обогрева коровников, свинарников и т. д. Нако­ нец, в авторском свидетельстве № 251801 появилась идея создания системы: «Сельскохозяйственная ферма, вклю­ чающая помещение для содержания животных и башен­ ные хранилища кормов, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью использования биотермического тепла кормохранилищ для улучшения микроклимата помещения при со­ держании животных, хранилища выполнены в виде ли­ нейного блока башен, встроенного в стену помещения для

содержания животных». Система «кормохранилище и помещение для животных» обладает новым качеством: