Стандарты изобретательства. Учебник. ТРИЗ
Стандарт 1.1.5. Веполь на внешней среде с добавками
Если внешняя среда не содержит веществ, необходимых для построения веполя по стандарту 1.1.4, это вещество может быть получено заменой внешней среды, ее разложением или введением в нее добавок. См. схемы (3.8) – (3.10).
Пример 3.6. Коптильная среда
При копчении рыбных и мясных продуктов создают коптильную среду. Коптильный препарат получают путем насыщения воды компонентами дыма и очищают от смолистых веществ.
В предлагаемом изобретении дополнительно в коптильную среду вносятся растительные добавки в виде спиртового раствора лекарственных растений, например элеутерококка, женьшеня или лимонника в очень малых количествах (коптильная жидкость: спиртовой раствор 1: 0,001—0,049)12.
Пример 3.7. Самоочищающиеся здания
Алюминиевая обшивка зданий покрывается двуокисью титана, которая под действием солнечных лучей начинает испускать свободные радикалы. Эти радикалы разлагают налипшую на стены копоть, а также преобразуют рассеянные в воздухе ядовитые молекулы окиси азота в безвредные нитраты. Все отходы этого процесса смываются дождем13.
Стандарт 1.1.6. Минимальный режим
Если нужен минимальный (дозированный, оптимальный) режим действия, а обеспечить его по условиям задачи трудно или невозможно, надо использовать максимальный режим, а избыток убрать.
При этом избыток поля убирают веществом, а избыток вещества полем.
Избыточное действие обозначено двумя стрелками:
Пример 3.8. Оплодотворение яйцеклетки
Во время эякуляции (мужского семяизвержения) мужчина производит 250 млн сперматозоидов, но оплодотворяет яйцеклетку только один.
В результате эволюции был выработан механизм естественного отбора, в результате которого выбирается самый активный и самый сильный сперматозоид.
При естественном половом акте сперма мужчины попадает во влагалище женщины. Мужская сперма для женского организма – чужеродный объект, поэтому он будет атаковать ее. Иммунная система старается уничтожить чужеродный элемент. Борьба начинается еще во влагалище. Во влагалище повышенная кислотность (pH около 4). Это первая атака с помощью химического поля.
Самые активные сперматозоиды находятся в центре потока, их «защищают» более пассивные, окружающие их, а самые подвижные движутся к шейке матки и дальше, в матку.
Спустя два часа после эякуляции большая часть сперматозоидов погибает во влагалище.
Таким образом, пассивные сперматозоиды уже выполнили свою защитную функцию.
Шейка матки заполнена шеечной (цервикальной) слизью, которая является барьером для проникновения микроорганизмов из влагалища в матку, но она также препятствует проникновению сперматозоидов в матку. Наиболее активна она по периферии. Это еще один барьер естественного отбора. Его проходят только сильнейшие.
Для успешного зачатия в матку должно проникнуть не менее 10 млн сперматозоидов.
Из матки сперматозоиды проникают в маточные, или фаллопиевы, трубы, где движутся против потока жидкости, так как поток создан для движения яйцеклетки из яичника к матке. Кроме того, выстоявшие в потоке сперматозоиды попадают в мягкие стенки фаллопиевой трубы, где выживают сильнейшие, которые ожидают сигнала от яйцеклетки.
Таким образом, это дополнительное препятствие движению сперматозоидов к яйцеклетке.
При получении сигнала от яйцеклетки, движущейся по трубе к матке, оставшиеся сперматозоиды устремляются к яйцеклетке и пытаются пробить плотную белковую оболочку. При этом многие из оставшихся сперматозоидов погибают. Наконец один пробивает оболочку и попадает в яйцеклетку. Если проникнет еще один сперматозоид, то яйцеклетка погибнет. В связи с этим в процессе эволюции был выработан механизм защиты яйцеклетки. Под ее оболочкой имеются микрогранулы, которые при попадании сперматозоида взрываются, и яйцеклетка становится непроницаемой.
Задача 3.4. Зарядка батарей
Условия задачи
Зарядка батарей происходит в течение нескольких часов. Как значительно ускорить этот процесс?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.1.6.
Решение
Израильская стартап-компания StoreDot разработала батареи, которые быстро заряжаются. Она использовала технологию, основанную на исследованиях болезни Альцгеймера, проводившихся в Тель-Авивском университете. Ученые выяснили, что пептиды (вещества, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот) можно использовать в качестве органической батареи. Из этих молекул ученые смогли получить нанокристаллы, которые можно использовать в качестве полупроводников. Принцип зарядки основан на использовании квантовых точек – фрагментов проводника или полупроводника, настолько крохотных, что на них начинают проявляться квантовые эффекты. Разработчики создали электроды нового типа, получившие название MFE – Multi Function Electrod14.
Зарядка батареи для смартфона занимает 30 сек., а аккумуляторов электромобиля – 5 мин. После этого автомобиль может пройти 300 миль.
Стандарт 1.1.7. Максимальный режим
Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это по тем или иным причинам недопустимо, максимальное действие следует сохранить, но направить его на другое вещество, связанное с первым:
Пример 3.9. Осьминог
Осьминог для отвлечения внимания хищника выбрасывает чернильное облако.
Задача 3.5. Получение знаний
Условия задачи
Человеку желательно знать всю информацию, которая имеется, но он не способен все воспринять. Как быть?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.1.7.
Решение
Вся информация имеется в Интернете, и по мере необходимости ее получают из интернета.
Задача 3.6. Наилучшие качества
Условия задачи
Природе пришлось решать задачу, как сделать человека с наилучшими качествами.
Заранее неизвестно, какие качества лучше. Значит нужно попробовать все, но этим можно и погубить испытуемый объект (человека).
Как поступить природе?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.1.7.
Решение
Как всегда, природа поступает мудро. Весь набор качеств был заложен в геноме мужчины. Они были самые умные и самые дураки, самые добрые и самые злые, самые сильные и самые слабые и т. д. Природа испытывала эти качества и наилучшие передавала в геном женщины, поэтому среди женщин нет самых гениальных и самых дурных. Таким образом поисходит эволюция человека. Следующему поколению передаются только самые устойчивые хорошие качества.
Стандарт 1.1.8. Максимальный режим
Если нужен избирательно-максимальный режим (максимальный режим в определенных зонах при сохранении минимального в других), поле должно быть либо максимальным, либо минимальным.
1.1.8.1. Введение защитного вещества
В первом случае в места, где необходимо минимальное воздействие, вводят защитное вещество.
Пример 3.10. Защитное покрытие
Для защиты металлов от коррозии их никелируют.
Однако при появлении механических дефектов (трещин, царапин) в подобных покрытиях начинается активная коррозия металла.
Один из путей совершенствования покрытия заключается во внедрении жидкого ингибитора коррозии в структуру покрытия для предотвращения взаимодействия с окружающей средой. Для исключения преждевременного воздействия ингибитор коррозии заключают в инертную оболочку, то есть формируют микрокапсулы с определенными свойствами15.
Пример 3.11. Избирательное подавление шума
Подавляется только тот шум, который не нужен, и только в том месте, где он не нужен16.
1.1.8.2. Введение вещества, дающего локальное поле
Во втором – в места, где необходимо максимальное воздействие, вводят вещество, дающее локальное поле, например термитные составы – для теплового воздействия, взрывные составы – для механического воздействия.
Пример 3.12. Отливки
В процессе остывания отливки возникают внутренние напряжения, приводящие к трещинам. Это происходит из-за быстрого остывания. Чтобы продлить процесс остывания, отливки покрывают экзотермической смесью. Она возгорается от температуры горячей отливки и длительное время поддерживает необходимое тепло.
Задача 3.7. Плодовые мушки
Условия задачи
Плодовые мушки, например дрозофилы, хотят максимально распространяться, но и самцов других пород достаточно много. Самки сохраняют сперму от самцов, с которыми они спариваются, для позднего использования. Как самцу дрозофилы победить их?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.1.8.2.
Решение
Сперма самца дрозофилы содержит яд, разрушающий другую сперму.
3.2. Подкласс 1.2. Разрушение веполей
Стандарт 1.2.1. Устранение вредной связи введением В3
Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия (причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно), задачу решают введением между двумя веществами постороннего третьего вещества, дарового или достаточно дешевого. См. схему (3.16).
Пример 3.13. Операции на сердце
Иногда при сложной операции хирургам не хватает времени на ее завершение и такая операция кончается летальным исходом пациента.
Необходимо замедлить все процессы в организме. Раньше это делали с помощью холодных ванн, но охлаждение шло достаточно медленно.
Инженеры из США разработали ледяную гидросмесь (Ice Slurry), представляющую собой специальный лед в виде микрошариков диаметром, равным человеческому волосу (рис. 3.5а). Такие шарики не смерзаются. Благодаря указанным свойствам, эта масса обладает подвижностью воды (шарики скользят друг относительно друга).
Этой смесью предложили охлаждать легкие, вводить в кровь или обкладывать отдельные органы.
Рис. 3.5. Жидкий лед Ice Slurry
Пример 3.14. Сварка алюминия
Алюминий плохо сваривается из-за тугоплавкой окисной пленки, быстро образующейся на его поверхности.
Разработали раствор для сварки, устраняющий пленку. Он состоит из ортофосфорной кислоты, фосфата алюминия и гидрата окиси алюминия17.
Стандарт 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В1 и / или В2
Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия, причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно, а использование посторонних веществ запрещено или нецелесообразно, задачу решают введением между двумя веществами третьего, являющегося их видоизменением. См. схему (3.17).
Задача 3.8. Ковш экскаватора
Условия задачи
Днище ковша экскаватора подвержено сильному износу из-за трения о него грунта и камней при наполнении ковша и при выгрузке.
Как предотвратить износ днища ковша?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.2.2.
В качестве прослойки использовать транспортируемый материал (грунт, камни и т.п.).
Решение
К днищу со стороны грунта приварить невысокие редкие поперечные ребра, разделяющие дно на ячейки. При выгрузке в этих ячейках застревают мелкие кусочки грунта, образуя как бы предохранительный слой над днищем. Кроме того, ребра увеличивают жесткость днища, что позволяет сделать его из более тонкого листа.
Пример 3.15. Очистка газов
Отводящиеся печные газы тепловых электростанций необходимо очищать от кислых компонентов, в частности от сернистого ангидрида.
Аналогичная проблема возникает с очисткой щелочных сточных вод при помощи шлакозолоудаления.
Предлагается для повышения степени очистки проводить адсорбцию кислых компонентов газа щелочными сточными водами.
Объединение двух вредных веществ в одну систему позволяет избавиться от вредного действия этих веществ18.
Стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия
Если необходимо устранить вредное действие поля на вещество, задача может быть решена введением второго элемента, оттягивающего на себя вредное действие поля. Схема (3.18).
Пример 3.16. Предохранитель
При резком увеличении тока в сети провод может перегореть. Чтобы этого не произошло, используют предохранитель, который может быть одноразовый (плавкий предохранитель) или многократного использования – автомат.
Пример 3.17 Молниеотвод
Молниеотвод предохраняет здание от попадания в них молнии. Молния попадает в молниеотвод и отводит молнию в землю.
Стандарт 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью П2
Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия, причем непосредственное соприкосновение веществ – в отличие от стандартов 1.2.1 и 1.2.2 – должно быть сохранено, задачу решают переходом к двойному веполю, в котором полезное действие остается за полем П1, а нейтрализацию вредного действия (или превращение вредного действия во второе полезное действие) осуществляет П2. См. схему (3.19).
Пример 3.18. Защита от радиоволн
Нейл Баллок (Neil Bullock) изобрел накидку для будущих мам, защищающую плод от электромагнитного излучения большинства электрических приборов: радары, микроволновые печи, радио и телевизоры, мобильные телефоны и т. д. Накидка, которую автор назвал MummyWrap, сделана из хлопковой ткани с добавлением меди и выполнена в виде блузки без рукавов (рис. 36). Отражение электромагнитных волн от блузки схематично показано на рис. 3.6а, а на рис. 3.6б показан ее внешний вид.
Рис. 3.6. Накидка от радиоволн MummyWrap
Пример 3.19. Подавление шума
Подавление шума происходит за счет улавливания шума и подачи его в противофазе. Шум складывается с точно таким, но противоположным ему шумом и уничтожается19.
Стандарт 1.2.5. «Отключение» магнитных связей
Если надо разрушить веполь с магнитным полем, задача может быть решена с применением физэффектов, «отключающих» ферромагнитные свойства веществ, например, размагничиванием при ударе или при нагреве выше точки Кюри.
Задача 3.9. Паяльник
Условия задачи
При пайке электронных компонентов часто необходимо поддерживать постоянную температуру. Это требует использования дорогостоящей аппаратуры. Как быть?
Разбор задачи
Задача решается по стандарту 1.2.5. Представим эту задачу в соответствии со схемой (3.20). см. (3.21).
Решение
Постоянную температуру паяльника можно поддерживать, если наконечник (жало) паяльника покрыть ферромагнитным материалом с точкой Кюри, равной температуре плавления припоя. При достижении температуры точки Кюри, ферромагнитное покрытие теряет свои магнитные свойства и нагрев сердечника прекращается. При снижении температуры ферромагнитные свойства восстанавливаются, и нагрев возобновляется. Таким образом, происходит автоматическое поддержание температуры жала паяльника в определенном интервале без использования термодатчика и управляющей электроники. Нагрев осуществляется индукционным способом с помощью катушки индуктора.
Глава 4. Класс 2. Развитие вепольных систем
4.1. Подкласс 2.1. Переход к сложным веполям
Стандарт 2.1.1. Цепные веполи
Если нужно повысить эффективность вепольной системы, задачу решают превращением одной из частей веполя в независимо управляемый веполь и образованием цепного веполя. См. схему (4.1).
Пример 4.1. Автоматическая система голосования
Система включает в себя необходимое количество одинаковых элементов системы, соответствующее участкам голосования, связанных между собой20.
Пример 4.2. Ультразвуковой скальпель
Ультразвуковые технологии достаточно широко применяются в медицине. Но существует проблема фокусировки луча в малой области. Оптоакустический преобразователь, разработанный в Мичиганском университете, содержит фокусировочный элемент из упругого полимера, покрытого слоем углеродных нанотрубок, которые поглощают лазерное излучение и преобразуют его в тепло. Под действием этого тепла полимерный элемент расширяется, генерирует и фокусирует в очень узкую область (75 мкм в поперечнике и 400 мкм по оси) ультразвуковой пучок частотой 15 МГц, создавая в ней зону кавитации с амплитудой давления более 50 МПа. Такой «ультразвуковой скальпель» позволит проводить более точные медицинские операции, чем традиционные инструменты21.
Стандарт 2.1.2. Двойные веполи
Если дан плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо поддающегося управлению. См. схему (4.2).
Пример 4.3. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии
Электрические колебания в металлической «внутренней катушке» испускают индуктивные фотоны по направлению к одной или нескольким «усиливающим катушкам», состоящим из фотопроводника, металлического проводника с легированным полупроводниковым покрытием, или сверхпроводника.
Электроны, обладающие малой инерциальной массой в усиливающей катушке (-ах), получают из «промежуточной катушки» поперечную силу, не имеющую противодействующей силы, что исключает эту силу из закона сохранения энергии. Электроны с малой массой в «усиливающей катушке (-ах)» получают повышенное ускорение, пропорциональное отношению нормальной массы электрона к меньшей массе.
Вторично испускаемая энергия индуктивных фотонов увеличивается пропорционально повышенному ускорению электронов, возводится в квадрат. К примеру, коэффициент усиления индуктивной энергии фотоэлектронов селенида кадмия (CdSe), в котором нормальная масса электрона составляет 0,13x, равен 59x.
Усиленная энергия индуктивных фотонов из «усиливающей катушки» возбуждает колеблющуюся электрическую энергию в одной или нескольких металлических «выходных катушках». Выходная электроэнергия превышает входную, если большая часть усиленной энергии индуктивных фотонов направлена на выходные катушки, а не на промежуточную катушку в качестве противодействующей силы.
После того как внешний источник энергии начинает возбуждать колебания, возврат избыточной энергии делает устройство самоподдерживающимся генератором электроэнергии, который можно использовать для полезных целей22.
Рис. 4.1. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии.
Патент США 2012/0080888
Задача 4.1. Дрон
Условия задачи
Дроны сегодня используются не только для выполнения полезных операций, но и таких, как контрабандная доставка наркотиков и других предметов в места лишения свободы, полеты над военными объектами и т. д.
Как не допустить это?
Разбор задачи
Использовать стандарт 2.1.2.
Решение
Компания Department 13 разработала устройство перехвата управления беспилотниками Mesmer. Оно получает доступ к протоколам связи дронов, как это было предложено Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), используя при этом радиочастоты и технологию Bluetooth. Эта система подвергает дроны принудительной посадке.
Антидрон-технология может захватывать данные телеметрии и видео, передаваемые обратно оператору. Это также потенциальная возможность идентификации23.
4.2. Подкласс 2.2. Форсирование веполей
Стандарты подкласса 2.2 представляет собой механизмы исполнения законов увеличения степени управляемости и динамичности.
Стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям
Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена заменой неуправляемого (или плохо управляемого) рабочего поля управляемым (хорошо управляемым) полем, например, заменой гравитационного поля механическим, механического – электрическим и т. д. Эта закономерность показана на рис. 1.6.
Пример 4.4. Светильник
Хемилюминесценция использована фирмой «Ремингтон Армс (Remington Arms)» для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химические активные вещества24.
Пример 4.5. Компьютерная мышка
В компьютерной мышке механическое движение шарика, который позволял отследить за движением руки, заменили считыванием информации с помощью лазера.
Стандарт 2.2.2. Дробление В2
Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента. Эта закономерность показана на рис. 1.7.
Пример 4.6. Компьютерные вычисления
Обширные вычисления (например, в области астрономии) могут выполняться значительно быстрее, если их разбить и обработать на многих компьютерах, даже если используется только время простоя.
Пример 4.7. Режущий инструмент
Компания Iscar (Израиль) выпускает режущие инструменты с заменяемой режущей частью (рис. 4.2а), имеющей несколько режущих граней. Когда одна грань затупляется, то режущую часть поворачивают другой гранью. После того как затупляются все грани, заменяют режущую часть, а не весь инструмент. Iscar выпускает токарные резцы (рис. 4.4б), фрезы (рис. 4.2в), сверла (рис. 4.2г).