Задача 17 Задача 18

© Альтшуллер Г.С., Журнал "Техника и наука", 1979, №6
СИЛА ЗНАНИЯ

КАК ОБЪЯТЬ НЕОБЪЯТНУЮ ИНФОРМАЦИЮ

СЛОЖНЫЙ МИР ПРИЕМОВ

Операции, проводимые при анализе задачи - построение ее модели, определение идеального конечного результата, выявление и локализация физического противоречия, - нередко приводят к идее решения. Но бывает и так, что анализ завершен, а как устранить противоречие - неясно. В этих случаях используется "тяжелая артиллерия" - информационный фонд АРИЗ, включающий таблицы применения технических приемов и физических эффектов.

Для уверенного решения задач изобретателю нужна колоссальная информация. Заранее неизвестно, какой именно технический прием или физический эффект понадобится. Поэтому в принципе нужно иметь под рукой информацию о всей технике и всей физике.

К счастью, оказалось, что, несмотря на многообразие изобретательских задач, число технических противоречий не так уж велико. Они повторяются в задачах из разных отраслей техники, преодолеваются одними и теми же приемами. Поиск таких типичных приемов начался еще на ранних этапах разработки АРИЗ. Из очень большого числа патентов и авторских свидетельств, относящихся почти ко всем отраслям техники, было отобрано около 40 тысяч сильных и оригинальных технических решений. Их анализ позволил выделить 40 основных приемов устранения противоречий (многие приемы включают разновидности, "изотопы", поэтому фактически число основных приемов больше - около ста). Удалось составить таблицу , показывающую, какие приемы целесообразно применять при разрешении тех или иных противоречий.

Список основных приемов включает приемы старые, ставшие традиционными (разделить, объединить, "сделать наоборот"), и новые, более "хитрые" (использовать вместо объекта его оптическую копию, усилить вредный фактор и преодолеть его, "перегнув палку"). Одни приемы основаны на применении веществ (сильные окислители, инертные среды), другие предполагают использование некоторых физических эффектов (например, вибрация). Уже сам по себе такой список - неплохой набор "инструментов", и не случайно в Болгарии описание приемов, входящих в АРИЗ-71, издано отдельной книгой с примерами и комментариями.

Казалось бы, дальнейшее ясно: надо наращивать список приемов и совершенствовать таблицу их применения. Однако обнаружилась любопытная вещь: при решении трудных задач мы имеем дело не с отдельными приемами, а с их сочетаниями. Физическое противоречие, "спрятанное" в недрах задачи, двойственно: "Такая-то зона такой-то части данной технической системы должна быть одновременно горячей и холодной (или подвижной и неподвижной)". К двойственному замку нужен и двойственный ключ. Парные приемы (прием и "антиприем", например, дробление-объединение) намного сильнее элементарных, одиночных. А сложные, включающие более двух приемов, еще сильнее. Вспомните хотя бы пример из первого очерка (задача 2). Известен фильтр в виде многослойной металлической ткани. Для перехода к принципиально новому фильтру потребовалось использовать приемы дробления (ткань раздробили на частицы) и объединения (образовавшиеся частицы объединили в пористую массу), перейти от механической схемы к электромагнитной (это тоже прием), использовать прием динамизации (размер пор стали менять)... Новый эффект достигнут именно сочетанием этих приемов: если убрать один из них - фильтра не будет.

Мир приемов оказался устроенным весьма непросто. Например, выяснилось, что каждый из них имеет две резко отличающиеся разновидности: на макроуровне и на микроуровне. Так, использование пневмоконструкций - это прием на макроуровне. А использование пены - тот же прием, но на микроуровне. Соединить две части объекта шарниром - динамизация на макроуровне. Если же гибкость, подвижность конструкции достигнута за счет теплового расширения - это тот же прием, но на микроуровне...

НЕСТАНДАРТНЫЕ СТАНДАРТЫ

Когда-то считали, что все вещества состоят из нескольких элементов. Потом стало ясно, что непосредственно с химическими элементами приходится иметь дело лишь в редких случаях: мир состоит преимущественно из сложных веществ. Основу химической промышленности тоже составляют сложные вещества, причем главная масса продукции - это небольшое число наиболее ходовых веществ: серная кислота, сода, аммиак и т. д.

Возникает крайне привлекательная идея: нельзя ли выделить столь же "ходовые" сочетания приемов?

Для реализации этой идеи потребовался длительный поиск: пришлось заново рассмотреть тысячи и тысячи авторских свидетельств и патентов. Но "ходовые" сочетания удалось найти. И словно в награду за упорство исследователей эти сочетания оказались не просто "ходовыми", а еще и очень сильными.

Получилось нечто вроде пирамиды из различных приемов: одиночные, парные, сочетания приемов, "избранные" сильные сочетания приемов. Чем ближе к вершине, тем выше их эффективность. И тем меньше универсальность. Каждое сильное сочетание приемов четко привязано к своему классу задач. Именно поэтому теперь простые приемы играют в АРИЗ скромную роль. Они оттеснены сильными сочетаниями, обладающими значительно большей эффективностью и определенностью.

Последние получили название стандартов . Само название бросает вызов старым представлениям: "Смотрите, вот четкая формула для трудных задач, решение которых ищут на ощупь перебором бесчисленных вариантов в ожидании неожиданного озарения..."

Подчеркнем: стандарты - это не просто инструменты для решения задач. Звания стандартов удостаиваются лишь те сочетания приемов, которые гарантируют решение своего класса задач на высоком уровне . Вот, например, изобретение по авторскому свидетельству №210622: "Индукционный электромагнитный насос, содержащий корпус, индуктор и канал, отличающийся тем, что с целью упрощения запуска насоса индуктор выполнен скользящим вдоль оси канала насоса". Есть труба, в одном месте на трубу надет кольцевой магнит. Суть идеи в том, что кольцо сделали подвижным, благодаря чему можно передвигать его вдоль трубы. Таких изобретений великое множество: патрубок перемещается вдоль гидроциклона (а. с. № 232160), турбулизатор - вдоль колонки для замораживания горных пород (а. с. № 244266), мешалка - вдоль направляющих (а. с. № 499939) и т. д. и т. п. Казалось бы, можно сформулировать стандарт: "Если в технической системе есть некая часть, прикрепленная к трубе, стержню и т. п., сделай эту часть перемещающейся вдоль стержня, - система будет более управляемой". Однако это еще не стандарт: на выходе нет технического решения высокого уровня, система несколько улучшается - и все.

Оценить "решательную" силу стандартов можно, познакомившись с задачами, которые без всяких затруднений поддаются стандартам. Вот одна из таких задач.

Задача 17. На рис.1 показана схема перистальтического насоса, используемого для перекачки жидких и вязких веществ. При вращении вала ролики прижимают гибкий шланг к жесткому корпусу и, прокатываясь по шлангу, перемещают находящееся внутри шланга вещество (примерно так мы действуем, выдавливая пальцами зубную пасту из почти пустого тюбика).

Существует много изобретений, относящихся к перистальтическим насосам. Конструкторы меняют число роликов (иногда вместо роликов используют шнеки и т. д.), форму корпуса, устройство шланга. Но принцип схемы не меняется.

Предложите принципиально новую конструкцию перистальтического насоса.

Рис. 1

В такой формулировке задача чрезвычайно трудна для тех, кто не знает стандартов. Сразу возникает недоумение: "А чем плохи существующие насосы?.. В чем состоит задача?.." Увидеть задачу - это одна из обязанностей изобретателя. Но в учебных целях задачу 17 специально упрощали и конкретизировали: "Шланг перистальтического насоса подвергается знакопеременным нагрузкам. Материал шланга устает, возникают трещины, разрывы. Как быть?" На неопределенность задачи теперь не жаловались, однако решение все равно не получилось: "Надо поэкспериментировать, попробовать разные материалы... может быть, найти для шланга оптимальную температуру?.."

Между тем, человек, знающий стандарты, решает такие задачи мгновенно.

ОТ "МАКРО" К "МИКРО"

Стандарты основаны на прямом использовании законов развития технических систем. Закон, например, гласит: "Система, находящаяся в состоянии А, в дальнейшем обязательно должна перейти в состояние Б". Стандарт, опираясь на этот закон, дает практическое правило: "Если увидишь систему в состоянии А, знай, что надо ставить задачу на ее переход в состояние Б, причем осуществляться этот переход должен таким-то образом".

Предположим, дана техническая система, достигшая пределов развития. Ее идея исчерпала себя, иссякли резервы совершенствования. Дальнейшие изменения наталкиваются на неодолимые трудности: запреты со стороны законов природы, отсутствие необходимых веществ, возникновение разного рода барьеров и т. д. Есть два стандарта, указывающие выход из этого тупика. Можно объединить данную систему с другой и получить таким образом новую надсистему, способную к дальнейшему развитию. Это - стандарт 5. Например, парусный корабль объединяется с паровым двигателем, возникает парусно-паровой корабль - развивающаяся система, постепенно становящаяся "чисто паровой". Стандарт 9 рекомендует другой обходной путь: если рабочие органы системы выполнены на макроуровне, необходимо перейти на микроуровень. Иными словами, рычаги, шарниры и прочие "железки" должны быть заменены рабочими органами в виде молекул, атомов, ионов, электронов и т. д., управляемых полями. Вот, например, а. с. № 438327: вибрационный гироскоп, отличающийся тем, что в качестве колеблющихся масс применены электроны или заряженные ионы. А. с. №497031: колебания керамического фильтра обеспечиваются за счет обратного пьезоэффекта. А. с. № 424238: в устройстве для малых перемещений вместо винтов использовано тепловое расширение. А. с. № 323167: толщину прокатных валков регулируют, используя магнитострикционный эффект. В описании стандарта 9 (как и в описаниях других стандартов) приведены характерные примеры, показывающие, какие сочетания приемов и физических эффектов надо применить для конкретного перехода от "макро" к "микро". Зная стандарт 9, сразу видишь суть задачи о насосе. Ход размышлений таков: "Перистальтический насос - система на макроуровне. Ясно, что задача состоит в переходе на микроуровень. Грубые макроколебания (бегущую вдоль шланга волну сжатия) надо заменить микроколебаниями. Можно использовать обратный пьезоэффект, магнитострикцию, а может быть, и тепловое расширение-сжатие..." И в самом деле, есть а.с. №449410: пьезокерамическая трубочка с цепочкой электродов, при поочередном включении которых создается бегущая волна уплотнения.

Задача 17 - учебная. А вот задача 18 - новая, еще нерешенная...

Задача 18. На рис. 2 показан насос высокого давления. В прочном корпусе - две заполненные жидкостью цилиндрические камеры. Вдоль оси камер расположены валы, на которые намотана стальная лента. Ленту перематывают из левой камеры в правую через уплотняющее устройство. Свободный объем в правой камере уменьшается, и давление жидкости возрастает. При хорошем уплотнении между камерами и в опорах валов, расположенных в крышках камер, можно достичь давления до 15 тыс. атм. Ваши предложения?

Рис. 2

Надо полагать, на этот раз читатель с первого взгляда увидит суть дела: дана система на макроуровне. Эта система дошла до пределов развития, отчетливо видно неодолимое противоречие. Чтобы лента переходила в рабочую камеру, трение в опорах и в уплотняющем устройстве должно быть минимальным. А чтобы жидкость не просачивалась - максимальным. Вместо бесплодных попыток найти компромисс используем стандарт 9, диктующий необходимость перехода на микроуровень. Сейчас рабочий орган насоса (стальная лента, играющая роль поршня) выполнен на макроуровне - это явная "железка". Необходимо перейти на микроуровень: рабочую камеру следует сделать герметичной, а уменьшение свободного объема в ней должно быть достигнуто за счет работы микрочастиц, управляемых полем.

Обратите внимание: до сих пор мы продвигались к ответу без малейших затруднений. Констатировали предельное состояние системы, спрогнозировали линию дальнейшего развития, перевели прогноз в конкретную техническую задачу... Дорогу нам прокладывал стандарт 9 (точнее - знание нужного в данном случае закона развития технических систем). А теперь предоставим читателю самому сделать последний шаг к ответу: найти конкретный физический эффект, обеспечивающий создание в рабочей камере стабильного давления в 30 тыс. атм и более. Нагревание какого-либо рабочего вещества не дает столь высокого давления. Использование взрыва обеспечивает лишь импульсное давление. Известен способ создания давления (до нескольких тысяч атм) путем замораживания воды; но в данном случае этот способ слабоват... Не годятся также обратный пьезоэффект и магнитострикция - слишком велик объем сжимаемой жидкости. Как же быть?..

Тут читателю, не располагающему полным описанием стандарта 9, придется вернуться к перебору вариантов, искать на ощупь и, увы, долго топтаться на одном месте. Что ж, зато станут ясны преимущества, которые дает знание теории решения изобретательских задач. "Отключаем" один из механизмов теории и - стоп, продвижения нет...

И ВСЯ ФИЗИКА

Почти все стандарты представляют собой сочетание группы приемов с одним или несколькими физическими эффектами. Но последние часто приходится использовать и в тех случаях, когда задача решается не по стандартам, а просто "по шагам". Поэтому АРИЗ-77 снабжен таблицей применения физических эффектов и явлений, составленной на основе анализа примерно 12 тыс. "физических" изобретений. Таблица указывает эффекты в зависимости от типа задачи (измерение температуры, перемещение веществ, образование и разделение смесей и т. д.). Но она дает лишь название эффекта. Нужен подробный справочник, содержащий сведения об изобретательских возможностях физических эффектов . Такой справочник - "Указатель применения физических эффектов и явлений при решении изобретательских задач" - составлен и с 1971 г. используется при обучении АРИЗ.

Внешне "Указатель" похож на каталог: кратко описывается физэффект, приводятся характерные примеры его применения, рассматриваются наиболее важные сочетания с приемами и другими эффектами, дается список литературы. Пока "Указатель" издавался в виде препринта небольшими тиражами для экспериментов и для использования при обучении теории решения изобретательских задач. Практика показала огромную ценность такого справочника. Ведется регулярная работа по его пополнению и совершенствованию. Нет сомнений, что "Указатель" вскоре станет настольной книгой любого инженера, занимающегося техническим творчеством.

Информационное обеспечение АРИЗ - стандарты, таблицы вепольных преобразований, таблицы физических эффектов и "Указатель", списки основных приемов и таблицы их применения - все это получено анализом больших массивов патентной и иной научно-технической информации и отражает самое ценное в опыте нескольких поколений новаторов. Это - серьезная сила. Но в АРИЗ она сложена с силой организованного мышления. Именно этим сочетанием и объясняется эффективность АРИЗ.

ЧТО СКАЗАТЬ В ЗАКЛЮЧЕНИЕ?

Эти очерки - лишь беглый обзор некоторых идей теории решения творческих задач. Теорией надо заниматься серьезно. Как любой наукой.

Во многих городах работают общественные школы научно-технического творчества (иногда они называются университетами, институтами), проводятся семинары по АРИЗ. Организуют учебу НТО, общество "Знание", ВОИР, комитеты комсомола, советы молодых специалистов. Есть школы в Москве, Ленинграде, Волгограде, Горьком, Днепропетровске, Харькове - всех городов и не перечислишь. Немало школ создано на предприятиях (Уралмаш-завод, Кировский завод и др.), в научных учреждениях (например, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне), в институтах повышения квалификации. В 1978 г. студенты Днепропетровского государственного университета сдавали зачет по теории решения изобретательских задач: впервые в зачетные книжки внесена запись об АРИЗ. В Чувашском государственном университете каждый год защищаются дипломные работы на исследовательские темы, связанные с АРИЗ. Занятия по АРИЗ идут в Минском радиотехническом институте и в Запорожском политехническом...

Какова эффективность занятий?

Вот характерные цифры. Днепропетровскую общественную школу технического творчества за 1973-1978 гг. окончили 388 человек. Выпускники 1973-1976 гг. к лету 1978 г. подали около 250 заявок на изобретения и получили свыше 180 авторских свидетельств. Многие новинки уже внедрены. Разумеется, эти данные неполны: выпускники продолжают решать задачи.

Занятия обычно рассчитаны на 100-120 часов: в течение года (раз в неделю) без отрыва от работы или ежедневно в течение месяца с отрывом - в институтах повышения квалификации. Состав слушателей: от студентов (в порядке эксперимента иногда включали в группы и школьников) до докторов наук. Преподавание проводится по единым для всех школ учебным программам, используются единые учебные пособия и учебно-методические разработки. Следовало бы, пожалуй, добавить, что занятия захватывающе интересны, но мы надеемся, что читатель уже почувствовал, что теория решения изобретательских задач - удивительная наука, сочетающая точность и информационную насыщенность с романтикой проникновения в неизведанное.

Г. Альтшуллер,
инженер
г. Баку