Найти идею. Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач
Задача 3.10. Нужно предложить подземоход, способный передвигаться в земной коре со скоростью 10 км/ч при запасе хода в 300–400 км.
Здесь хорошо видна характерная особенность задач пятого уровня: к моменту постановки подобных задач средства их решения лежат за пределами современной науки. Неизвестны те физические эффекты, явления, принципы, на основе которых может быть создан подземоход (а вместе с ним новая отрасль техники – глубинный транспорт).
Условия задачи пятого уровня обычно не содержат прямых указаний на противоречие. Поскольку системы-прототипа нет, то нет и присущих этой системе противоречий. Они возникают в процессе синтеза принципиально новой системы. Предположим, решено обеспечить продвижение подземохода путем расплавления горных пород. Сразу образуется узел сложнейших противоречий: расплавляя окружающие породы, мы облегчаем движение машины, но резко увеличиваем расход энергии, создаем гигантский теплоприток внутрь подземного корабля, затрудняем использование известных навигационных средств, следовательно, лишаем машину управления.
* * *Не хотелось бы, чтобы у читателя создалось упрощенное представление: задачи первого уровня до смешного легки, чем выше уровень – тем лучше, а потому даешь изобретения четвертого-пятого уровней!.. Все значительно сложнее. Да, задачи первого уровня действительно не имеют отношения к изобретательскому творчеству, это конструкторские задачи. Иначе обстоит дело с задачами второго-третьего уровней: их решения необходимы не только сами по себе, но и для реализации изобретений более высоких уровней.
В первой главе рассказано, как был создан газотеплозащитный скафандр. Это изобретение четвертого уровня: синтезирована новая техническая система. Теперь представьте горноспасателя с внушительным резервуаром сжиженного воздуха за спиной. Воздух должен непрерывно испаряться; значит, в резервуаре должны быть постоянно открытые входные отверстия. Но через эти отверстия – при малейшем наклоне резервуара – выльется сжиженный воздух. Клапаны? Рискованное усложнение конструкции. Сделать резервуар по принципу школьной чернильницы-непроливашки? Но тогда придется запасать сжиженного воздуха в 2–2,5 раза меньше. Задача второго уровня, но от ее решения зависела реализация основного изобретения…
* * *Технические системы, как и биологические (и любые другие), не вечны: они возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка и, наконец, сменяются другими системами. Типичная история жизни технической системы показана на рис. 4а, где на оси абсцисс отложено время, а на оси ординат – один из главных показателей системы (скорость самолета, грузоподъемность танкера, число выпущенных телевизоров и т. д.). Возникнув, новая техническая система далеко не сразу находит массовое применение: идет период обрастания системы вспомогательными изобретениями, делающими новый принцип практически осуществимым. Быстрый рост начинается только с точки 1. Далее система энергично развивается, ассимилируя множество частных усовершенствований, но сохраняя неизменным общий принцип. С какого-то момента (точка 2) темпы развития замедляются. Обычно это происходит после возникновения и обострения противоречий между данной системой и другими системами или внешней средой. Некоторое время система продолжает развиваться, но темпы развития падают, система приближается к точке 3, за которой исчерпывают себя физические принципы, положенные в основу системы. В дальнейшем система остается без изменений (велосипед за последние полвека) или быстро регрессирует (газовое освещение после появления электрического). На смену системе А приходит система Б. При этом абсцисса точки 1´ системы Б обычно близка в абсциссе точки 3 системы А. Теоретически систему Б нужно было бы развивать значительно раньше – так, чтобы точка 1´ совпадала с точкой 2, но на практике это происходит лишь в очень редких случаях. Старая система А оттягивает силы и средства, при этом действует мощная инерция финансовых интересов и узкопрофессиональных представлений. Разумеется, новая система в конечном счете неодолима, но она блокируется старой, что преодолевается лишь после того, как старая система одряхлеет и вступит в резкий конфликт с внешней средой.
Изменение количества изобретений на разных этапах развития системы иллюстрирует рис. 4б. Первый пик связан с переходом к массовому применению системы, второй – с попытками множеством мельчайших изобретений продлить жизнь одряхлевшей системы. На рис. 4в показаны уровни изобретений на разных этапах жизни системы: рождение системы связано с одним или несколькими изобретениями четвертого-пятого уровней, затем уровень снижается, но в районе точки 4 наблюдается некоторый пик – изобретения, позволяющие перейти к массовому применению системы, нередко достигают третьего-четвертого уровней. После этого уровень изобретений вновь падает – и на этот раз необратимо.
В книге «Алгоритм изобретения» [Г. Альтшуллер. Алгоритм изобретения. – М.: Московский рабочий, 2-е изд., 1973] приведены данные по 14 классам изобретений за 1965 и 1969 гг. Анализ дал такие цифры: изобретений первого уровня – 32 %, второго – 45, третьего – 19, четвертого – менее 4, пятого – 0,3 %. Таким образом, свыше 3/4 зарегистрированных изобретений фактически представляли собой результаты решения мелких и мельчайших задач. В 1982 г. я повторил анализ по трем классам (А 62 – спасательная служба, В 63 – суда, Е 21 – бурение). Результаты таковы: первый уровень – 39 %, второй – 55 %, третий – 6 %, крупных и крупнейших изобретений нет… Конечно, выборка за один год по трем классам явно мала для обобщений, но первое представление о «спектре качества» она дает. Опасное измельчение изобретений просматривается достаточно ясно.
Существует точка зрения, согласно которой преобладание «мелочи» – явление нормальное и положительное: «Как в математике бесконечно малые приращения способны образовывать конечные и вполне ощутимые суммы, так незначительные, казалось бы, но организованные и целенаправленные усовершенствования, зафиксированные юридической формулой, создают техническую базу того, что принято называть научно-технической революцией»[15].
Не правда ли, изящное сравнение? Но, увы, аналогия с математикой ошибочна. Чтобы получить конечную величину, надо сложить бесконечно большое число бесконечно малых величин…
Некрупные изобретения всегда нужны на начальном этапе становления технической системы (до точки 1): они наращивают «плоть» новой идеи, позволяют перейти от схемы к реальной вещи. В общем, нужны небольшие изобретения и на этапе зрелости системы (между точками 1 и 2), но основная масса мелких изобретений относится к старым техническим системам «от точки 2 до точки 3 и далее». Массовая инъекция таких изобретений призвана искусственно продлить рост и жизнь устаревших по своим принципам систем.
Технические системы могли бы быстрее сменять одна другую. Для этого необходимо, чтобы при достижении системой А точки 2 происходил переход к системе Б, заранее развитой до состояния 1´. В отдельных случаях так и бывает. Например, реактивные самолеты (система Б) почти без потерь времени сменили самолеты с поршневыми двигателями (система А). Однако в подавляющем большинстве случаев жизнь систем стремятся продолжить и после прохождения точки 2. Это выгодно тем, кто вкладывал средства в эти системы и рассчитывает на получение прибыли. Себестоимость перевозки нефти на танкере водоизмещением в 540 тыс. тонн на 50 % ниже, чем на танкере в 80 тыс. тонн. Инженерные силы направлены не на поиск новых принципов транспортирования нефти, а на разработку усовершенствований, позволяющих строить и эксплуатировать супертанкеры громадных размеров. Поток небольших усовершенствований на них неуклонно увеличивается, но эти изобретения не способны обеспечить безопасность движения супертанкеров и предотвратить загрязнение Мирового океана.
На рис. 4 г показано изменение средней эффективности одного изобретения, т. е. размер даваемой им экономии. Великие изобретения пятого уровня и первые крупные и средние изобретения, превращающие новый принцип в отрасль техники, поначалу не дают прибыли, они убыточны. Прибыль появляется потом, когда новая машина находит массовое применение. Тогда любая мелочь дает большую экономию. Пример: сотрудники Института электросварки им. Е.О. Патона заменили пайку бокового вывода к цоколю лампы автоматизированной сваркой. Экономится лишь капля припоя. Замена пайки сваркой давно стала типовым приемом. Как максимум это – изобретение второго уровня, а скорее всего, – «неизобретательское изобретение». Но в целом по стране экономия составляет около миллиона рублей в год, хотя лампа осталась старой, т. е. ненадежной и крайне неэкономичной системой.
Заканчивая третью главу, я вдруг подумал, что ничего не сказано о красоте. Есть графики, таблицы, сухие формулы изобретений – и ничего о красоте изобретательских задач!.. А они поразительно красивы. Они могут относиться к любой области жизни, к любой отрасли техники, но они всегда загадочны, всегда исполнены очарования тайны. И еще: они романтичны. Их решение – драма идей, приключение, которое неизвестно чем кончится. Они удивительны, эти задачи; стоит ввести дополнительное ограничение, чуть-чуть повернуть условия – и задача обновится…
Мы только вступаем в ТРИЗ. Впереди – законы, правила. А пока посмотрим еще одну задачу, лукавую и изящную. Простенькая задача, не выше второго уровня. Но разве это мешает ей быть красивой?
Задача 3.11. Робин Гуд вскинул боевой лук, и стрела, со свистом рассекая воздух, устремилась к лазутчику, посланному шерифом…
– Опять промазал! – воскликнул режиссер. – Метра на два выше. Подумать только: взяли дублером заслуженного мастера, чемпиона, а он мажет…
– Давайте скомбинируем, – предложил кинооператор. – Отдельно снимем выстрел, отдельно – летящую стрелу. Потом дублер подойдет метра на три, станет вне кадра, и я сниму попадание. Смонтируем три куска.
– Ни в коем случае! – возмутился режиссер. – Зрители прекрасно знают этот трюк. Надо снимать непрерывно: вот Робин Гуд отпускает тетиву, стрела летит и поражает предателя прямо в сердце. И всем видно, что Робин Гуд стрелял издалека. Мне нужна правда жизни.
– Тогда снимайте без меня! – сердито сказал артист, игравший лазутчика. Он вытащил дощечку, спрятанную в верхнем кармане куртки. – Сам Робин Гуд не попал бы в такую цель. Ужас! Мне надо играть, а я думаю о том, что произойдет при малейшем отклонении стрелы…
Подошел дублер, одетый в костюм Робин Гуда, виновато развел руками:
– Даже на олимпиаде так не переживал. В последний момент невольно беру вверх, боюсь стрелять в человека…
– Завтра уже не будет такой погоды, – вздохнул оператор. – Снять бы эпизод сегодня…
Красота – красотой, но все-таки подчеркнем главное. Комбинированные съемки исключены. Зритель должен видеть, как стрела летит и попадает в цель. В куртке артиста, игравшего роль лазутчика, спрятана дощечка (по размерам она не больше почтовой открытки), в эту дощечку должна вонзиться стрела. «Мишень» не только мала, она еще и подвижна, пытается убежать…
4. Формула победы
Как возникают новые виды животных? В результате действия различных мутагенных факторов появляются новые признаки. В огромном большинстве случаев они бесполезны или даже вредны. И лишь изредка появляется признак, полезный для организма. Естественный отбор бракует особи с неудачными новыми признаками и способствует сохранению и распространению особей с признаками полезными.
Таков и традиционный механизм работы при решении изобретательских задач. Изобретатели, не зная законов развития технических систем, генерируют – мысленно и в металле – множество различных вариантов решения. Жизнеспособными оказываются только те «мутации», которые действуют в направлении, совпадающем с объективно существующими законами развития.
У природы нет сознания, разума: результаты мутаций не изучаются, борьба за повышение «процента удачных мутаций» не ведется. В технике есть возможность накопить опыт «мутаций», исследовать его, выявить «правила удачного мутирования», отражающие объективные законы развития. Это позволит вести «мутации» сознательно: первый же выдвинутый вариант должен быть наилучшим.
Воображение – вольно или невольно – создает определенный образ задачи. Прочитал человек условия, и сразу же вспыхивает мысленный экран с высвеченной на нем картинкой (рис. 5).
Мышление несистемно. Не успели люди в процессе эволюции выработать системное видение мира. Если в задаче сказано «дерево», человек видит именно дерево.
Начинается перебор вариантов. Дерево становится чуть больше, чуть меньше… Часто на этом все кончается: ответ не найден, задача признана неразрешимой.
Это – обычное мышление. Талантливое воображение одновременно зажигает три экрана (рис. 6): видны надсистема (группа деревьев), система (дерево), подсистема (лист).
Конечно, это минимальная схема. Иногда включаются и другие экраны: наднадсистема (лес) и подподсистема (клетка листа). А главное – все это видно в развитии, потому что работают боковые экраны, показывающие прошлое и будущее на каждом уровне. Девять (минимум девять!) экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир (рис. 7).
Задача 4.1. В Народной Республике Бангладеш, как утверждает статистика, 13 миллионов финиковых пальм. За сезон каждая пальма может дать 240 литров сладкого сока, идущего на изготовление пальмового сахара. Но для сбора сока надо сделать надрез на стволе под самой кроной. А это 20 метров высоты!.. Как быть?
Задачу предложили фирме, выпускающей сельскохозяйственные машины и механизмы. Специалисты попробовали «альпинистский способ» – человек поднимается, вырубая ступеньки на стволе. Способ оказался непригодным: много ступенек – дерево погибает, мало ступенек – трудно подниматься. Начали проектировать нечто вроде пожарной машины с раздвижной лестницей. Каково же было удивление проектировщиков, когда они узнали, что бангладешские крестьяне обладают секретом, позволяющим легко подниматься на пальму без всяких машин…
Задача 4.1 не решается, если включен только экран 1. Но стоит совместно рассмотреть экраны 1 и 4, как решение становится очевидным. На экране 4 – маленькая – пальма. Сока она еще не дает, но на ней легко можно сделать зарубку – будущую ступеньку. От одной-двух зарубок дерево не погибнет. На следующий год – еще несколько зарубок. И к тому времени, когда дерево вырастет и будет способно давать сок, на стволе окажется готовая лестница.
Другое решение просматривается при включении экрана 2. К одному дереву надо приставлять лестницу. Но если рядом растут два дерева, их стволы – почти готовая лестница, не хватает только веревочных перекладин…
Еще раз подчеркну: это не самый сложный случай – девять экранов. Гениальное мышление заставляет работать много больше экранов: вверх и вниз по иерархии систем, левее экрана 4 (в глубь прошлого) и правее экрана 7 (в глубь будущего). Сложно устроены и сами экраны. Во-первых, они двойные: на каждом экране одновременно изображение и антиизображение (объект и антиобъект). Во-вторых, меняются размеры изображений – то резко увеличиваются, то столь же резко уменьшаются…
Мир устроен непросто, и чтобы его правильно видеть и правильно понимать, нужны непростые мысленные экраны. Даже у гениев полная многоэкранная схема мышления проявляется в редкие звездные мгновения. Да и то многое остается незадействованным… Цель ТРИЗ: опираясь на изучение объективных закономерностей развития технических систем, дать правила организации мышления по многоэкранной схеме.
* * *Сравним два изобретения:
А.с. 210662: «Индукционный электромагнитный насос, содержащий корпус, индуктор и канал, отличающийся тем, что, с целью упрощения запуска насоса, индуктор выполнен скользящим вдоль оси канала насоса».
А.с. 244266: «Колонка для замораживания горных пород, включающая замораживающую и питающую трубы, а также турбулизатор, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности управления процессом образования ледопородного цилиндра по высоте зоны замораживания, турбулизатор установлен на питающей трубе с возможностью перемещения вдоль оси».
Изобретения относятся к разным областям техники, однако суть технических решений одинакова. Имеются некая труба и некое устройство, жестко соединенное с этой трубой. Чтобы повысить управляемость системы, предложено заменить жесткое соединение нежестким, сделать устройство подвижным, перемещающимся вдоль трубы.
Если обратиться к патентному фонду, нетрудно найти множество подобных технических решений. По а.с. 232160 в электромагнитном гидроциклоне пусковой патрубок выполнен перемещающимся относительно надетого на этот патрубок корпуса циклона. По а.с. 499939 вал мешалки способен перемещаться относительно ванны с жидкой средой.
Не менее часто встречаются изобретения, в которых части системы перемещаются относительно друг друга благодаря введению шарнирных связей. Например, а.с. 152842 предусматривает шарнирное соединение горелки и корпуса термобура. Идентичное решение использовано в а.с. 179859 для придания подвижности головке сварочной горелки.
Возникает вопрос: не является ли переход от жесткой схемы к гибкой закономерностью, распространяющейся на все технические системы?
Историко-технические исследования и анализ патентного фонда дают положительный ответ на этот вопрос. «Молодые» технические системы чаще всего имеют жесткие связи между частями, не позволяющие системе приспосабливаться к меняющимся внешним условиям. Поэтому для каждой системы неизбежен этап «динамизации» – переход от жесткой, неменяющейся структуры к структуре гибкой, поддающейся управляемому изменению. Общеизвестными примерами действия этого закона могут служить применение убирающегося шасси на самолете, самолеты с изменяющейся геометрией крыла (Ту-144 с откидывающимся «носом») и т. д. «Зрелые» и «пожилые» системы тоже динамизируются, что компенсирует увеличение их размеров. Вот а.с. 893124: «Морское судно, имеющее подводные погружные торпедообразные корпуса, соединенные с надводным корпусом вертикальными обтекаемыми стойками, отличающееся тем, что, с целью уменьшения осадки судна при швартовке у берега, крепление вертикальных стоек к надводному корпусу выполнено подвижным по высоте».
Вводят шарниры и упругие элементы, применяют пневмо– и гидроконструкции, используют вибрацию, фазовые переходы… Выбор способа динамизации зависит от конкретных обстоятельств, но сама динамизация – универсальный закон, определяющий направление развития всех технических систем, даже таких, которые по самой своей природе, казалось бы, должны оставаться жесткими. Опора для шпалерных насаждений – просто столбик, к которому крепится проволока. Но по а.с. 324990 опора выполнена из двух шарнирно соединенных частей; это позволяет осенью пригибать ветви. В а.с. 243241 описан молоток, ударный элемент которого для получения постоянной силы удара соединен с рукояткой при помощи пружины.
Зная закон увеличения степени динамичности, можно прогнозировать развитие технических систем. Рассмотрим, например, а.с. 193349 на устройство для ввода сыпучих материалов в горизонтальный трубопровод (рис. 8). Под люком бункера на четырех болтах установлена площадка. Ее высоту подбирают так, чтобы угол откоса материала не позволял ему высыпаться за пределы площадки. Благодаря этому в поток воздуха поступает столько порошка, сколько поток может унести, и предотвращается образование пробок. Типичная жесткая система! Очевидно, можно перейти к динамичной системе, имеющей заведомое преимущество – возможность регулирования подачи сыпучего материала. Для этого необходимо выполнить площадку подвижной, чтобы мог меняться угол ее наклона к оси трубы. Динамичность можно обеспечить и вибрацией площадки, установив ее на шарнирных или пружинных опорах (а.с. 272064).
Задача 4.2. В а.с. 235856 описан дозатор для ферромагнитных материалов, отличающийся тем, что вместо механических задвижек использованы кольцевые электромагниты (рис. 9). При выключенном верхнем электромагните материал из бункера поступает в калиброванную трубу – до уровня нижнего (включенного) магнита. Затем включают верхний магнит и выключают нижний. Отмеренная доза материала проходит вниз по трубе. Надо предложить новую и более эффективную конструкцию подобного дозатора.
Задача очень трудна для «непосвященных», потому что не ясно, чем, собственно, плоха исходная конструкция дозатора. Для тех, кто знает закон увеличения степени динамичности, решение задачи очевидно: надо перейти к системе гибкой, подвижной. Это можно сделать, выполнив один магнит подвижным относительно другого. В результате будет обеспечена возможность регулирования отмеряемой дозы материала (а.с. 312810).
Задача 4.3. Спортивный катамаран представляет собой два поплавка, соединенные площадкой, на которой стоит спортсмен. Чем больше расстояние между поплавками, тем устойчивее катамаран. Однако перевернувшийся катамаран – именно из-за высокой устойчивости – невозможно без посторонней помощи возвратить в первоначальное положение. Как быть?
Задача решается легко. Катамаран – жесткая система. Именно поэтому катамаран не приспособлен к применению в других внешних условиях, в которых он оказывается после опрокидывания. Решение очевидно: либо поплавки должны сдвигаться друг к другу, либо – что проще – мачта должна перемещаться из нижнего (опрокинутого) положения в верхнее с тем, чтобы в дальнейшем можно было плыть на обратной стороне площадки (обе стороны одинаковы). Для этого мачта должна быть шарнирно соединена с брусом на передней кромке площадки (англ. пат. 1372642).
Таким образом, знание закона увеличения степени динамичности позволяет прогнозировать развитие технических систем и решать некоторые изобретательские задачи. И наоборот: незнание закона делает легкую (с позиций ТРИЗ) задачу почти неприступной.
Задача 4.4. Возьмем за прототип дозатор, изображенный на рис. 8. Предположим, он уже динамизирован: высота площадки регулируется, корпус дозатора снабжен виброприводом. А что дальше? Помимо динамизации…
* * *И еще одна задача.
Задача 4.5. Для сохранения рыбы после копчения ее надо заморозить. Кроме того, изолировать от воздуха. Испытали упаковку в виде пластикового мешка; пришли к выводу, что она помогает мало. Хранение в металлической упаковке исключено. Как быть?
Между прочим, эта задача Вам знакома…
* * *Закон увеличения степени динамичности отражает лишь одну сторону эволюции технических систем. Естественно предположить существование и других законов.
В сущности, речь идет о том, чтобы признать, что техника материальна, а ее развитие диалектично. Материальность технических систем очевидна, и столь же очевиден факт их развития, подчиняющегося, как и всякое развитие, всеобщим законам диалектики. Отсюда со всей непреложностью вытекает решающий для методологии изобретательства вывод: существуют объективные законы развития технических систем, эти законы можно познать и использовать для сознательного решения изобретательских задач без слепого перебора вариантов[16].
* * *Если ход «техноэволюции» определяется не одним законом, а комплексом законов, научная методика решения задач тоже должна быть комплексной, многоходовой: «Проверим, соблюдается ли первый закон… Так, здесь все в порядке. А второй?.. Тоже не нарушен, хорошо! Но вот третий закон – тут явное отклонение… Систему надо изменить!»
Существование в «техноэволюции» комплекса законов особенно сердит оппонентов ТРИЗ. Логика тут такая: много законов – много шагов при решении задачи, а это трудно… Вот, например, что говорит Р. Повилейко: «Многие, наверное, слышали о различных методиках технического творчества. Книг по этой проблеме много. Толстых, с большим количеством схем, формул, условных обозначений. Берешь в руки такую книгу и вспоминаешь древнегреческий философский диалог. Сороконожку спросили: «Почему у нее 29-я нога движется после 28-й?» Она задумалась и остановилась. В некоторых методиках столько шагов, что, освоив даже 2–3 из них, перестаешь думать о цели, теряешь ее»[17].
В первой книге по теории изобретательства [Альтшуллер Г. С. Как научиться изобретать. – Тамбов: Тамбовское книжное издательство, 1961] я писал: «Смысл притчи о сороконожке прост: не надо мудрствовать лукаво, лучший метод – это вообще обходиться без методов.