Лекция 13. Теория и алгоритм решения изобретательских задач
Знания не прибавляют ума.
Учеба развивает мозг –
это импульс к новой учебе.
Древний философ Пифагор
Чтобы создавать новшества нужно постоянно развивать мозг, активизировать его работу и постоянно пополнять уровень знаний. Учеба решает эти задачи.
Рассмотрим участие в создании новшеств творческих личностей, а также приёмы и методы, которые при этом используются.
Для поиска технологических решений с целью создания новшеств (изобретений) в Советском Союзе стараниями Генриха Сауловича Альтшуллера в 80-е годы прошлого столетия была разработана и активно опробована на практике теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Разработки доведены до методик, представленных в виде алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) [21].
Генрих Саулович предупреждал: «АРИЗ – инструмент для мышления, а не вместо мышления. Не ждите готовых решений, их нужно найти, используя АРИЗ, двигаясь шаг за шагом к решению поставленной задачи».
Историческая справка. Г.С. Альтшуллер сформулировал основные положения ТРИЗ в 1948 г, но, натолкнувшись на непонимание важности вопроса со стороны властных чиновников, обратился с письмом к И.В. Сталину с критикой чиновников. За эту инициативу Г.С. был осужден на 25 лет лишения свободы. В 1954 г обвинение было снято, но взаимопонимание с властями было сложным, и лишь к 80-м годам теория получила достаточно широкое признание и развитие.
Что же такое АРИЗ? Это методика анализа проблем и формулирование на этой основе задач и поиска идей их решения. Алгоритм расписывает пошаговое движение от проблемы к решению:
1) анализ проблемы;
2) формулирование задачи или построение модели и её анализ;
3) определение идеального конечного результата (ИКР) и противоречий: физических, социальных, психологических, экономических;
4) мобилизация и применение вещественно-пóлевых ресурсов (ВПР) для решения физических противоречий; мобилизация и применение трудовых и интеллектуальных ресурсов, а также мотивы поведения людей для решения социально-экономических противоречий;
5) применение информационного фонда;
6) изменение или замена задачи;
7) анализ способа устранения противоречий;
8) применение полученного ответа (результата анализа);
9) анализ хода решения.
АРИЗ – это тренинговый курс, чтобы им воспользоваться нужно долго и упорно тренироваться. При этом должна быть база знаний и умение анализировать, а также развиты критическое мышление, интуиция, целеустремленность и терпение. АРИЗ нельзя сразу освоить, но познакомиться можно, что мы и попытаемся сделать.
АРИЗ – это методика анализа, основанная на объективных знаниях развития технических, социально-экономических систем и технологии человеческого мышления. Для решения задач привлекаются знания различных законов в технике и экономике. АРИЗ помогает в поиске идей, а разработкой идей занимаются специалисты.
Кроме ТРИЗ и АРИЗ в этом направлении разработаны стандарты на решение изобретательских задач, методические указания по их использованию, созданы курсы и учебные пособия.
Всё это показывает, как важно создать необходимую базу для эффективного творчества (изобретательской деятельности). И что этой базой являются достижения во всех областях науки и, прежде всего, в области фундаментальных наук, знания объективных законов природы (физические законы, энергетические поля, химические эффекты, биологические законы и т.д.). Чтобы понять и почувствовать эту область деятельности, рассмотрим конкретные примеры поиска идей и создания крупных новшеств.
Задача. При выплавке чугуна в домнах образуется расплавленный шлак. Температура 1000 ºС. Его сливают в ковши на рельсовом ходу и увозят на шлакопереработку (использование жидкого шлака экономически выгодно, переплав твердого шлака значительно дороже). Шлак, залитый в ковш, охлаждается, на поверхности расплава образуется корка. Чтобы вылить шлак из ковша в корке пробивают два отверстия с помощью специального устройства. На это нужно время, а шлак продолжает охлаждаться, толщина корки увеличивается. В итоге удается слить не более 60–70 % шлака. Далее ковши подвергают очистке от затвердевшего шлака (работа трудоемкая), а затвердевший шлак вывозится на шлакоотвал (выбрасывается). Все эти операции приносят затраты, убытки.
Как видим, для описания проблемы (ситуации) пришлось дать много поясняющей информации. В соответствии с п.1 АРИЗ осуществляется анализ проблемы, из описанной проблемы необходимо построить, сформулировать изобретательскую задачу с использованием только необходимой для этого информации (по АРИЗ построить мини задачу).
Тренинг.Дается подсказка (варианты решения).
1. Перемешивать шлак.
2. Обогревать шлак (ковш).
3. Закрыть ковш съемной крышкой.
4. Добавлять в шлак воду.
5. Накрыть шлак утеплительнымматериалом.
6. Поместить ковш в сильное магнитное поле.
7. Обрабатывать шлак ультразвуком.
Требуется выбрать решение с точки зрения эффективности (низкие затраты на реализацию), реальности реализации, дать обоснование.
Для решения этой задачи, необходимо воспользоваться АРИЗ (п. 4), в противном случае, остаются методы «проб и ошибок», «гадание на кофейной гуще». Или более приемлемые методы – базу знаний, в которой необходимо искать аналоги, привлекать объективные законы природы.
ТРИЗ строится во многом на применении приемов и правил (как, например, игра шахматы на знании стандартных шагов). Некоторые из них:
1. Избавиться от всего отрицательного (нет зла, нет механизма, нет проблемы).
2. Замена узлов, механизмов с перераспределением их функций с другими узлами, механизмами, элементами объекта.
Например, по словам конструкторов, спускаемого аппарата ВЕНЕРА-8 каждый грамм веса и каждый кубический сантиметр пространства спускаемого аппарата использован так, что дополнительно нельзя разместить даже спичечный коробок. Но когда потребовалось разместить дополнительный прибор массой 6 кг решение было найдено без увеличения массы и объема аппарата.
Анализ системы спускаемого аппарата показал, что в системе имеется центровочный балансир, необходимый для постоянной ориентации аппарата в пространстве (система «Ванька-встанька»). Решение – почти прозрачное – заменить балансир прибором, то есть элементу – балансиру придать дополнительные полезные функции контейнера с прибором (п. 6 АРИЗ).
Набор приёмов для ТРИЗ имеет неограниченные возможности, так как патентный фонд исчисляется миллионами образцов «задача – ответ». Остается эту базу только правильно анализировать, выявлять закономерности, то есть правильно использовать законы статистики.
Процесс улучшения АРИЗ, его надежности бесконечен, это целая отрасль науки. Знание законов позволяет принимать самые простые и оригинальные решения.
Пример. Проектировалась станция ЛУНА-16. Необходим был прожектор для освещения поверхности Луны при её осмотре, фотографировании. Испытания электроламп показали, что они не выдерживают перегрузок – цоколь отваливается от стеклянного баллона. Решения, как создать подходящую новую лампу, не было. Казалось, конструкторы зашли в тупик. Но главный конструктор Георгий Николаевич Бабыкин нашел решение и избавил свой коллектив от проблемы (дайте ответ).
Ответ. На Луне вакуум, а стеклянный баллон у лампы нужен именно для того, чтобы обеспечить вакуум для нити накаливания. Значит, баллон на Луне вообще не нужен (идеальное решение по АРИЗ – удалить ненужный элемент).
На основе знания законов действия энергетических полей создано множество изобретений.
В ТРИЗе взаимодействие вещество-поле получило свое отдельное направление и краткое наименование – веполь.
Пример. Для очистки проволоки от окалины предложено проволоку пропускать через абразивный ферромагнитный порошок, поджимаемый к проволоке магнитным полем.
Пример. Для временного образования пробки в трубопроводе, в него закачивают полимерную жидкость, которая при затвердевании образует пробку, но пробка получается неопределенных размеров и трудно извлекается. Для создания пробки определенного размера и в нужном месте в полимерную жидкость добавляют ферромагнитный порошок и с помощью магнитного поля удерживают полимерную жидкость в нужном месте до её затвердевания.
Пример. Для хонингования отверстий (сверхточная обработка) применяется инструмент в виде алмазных брусков, которые вводятся в отверстие, а затем радиально разводятся до нужного размера с помощью специального механизма, который сложен и ненадежен.
Изобретение – механизм удалить, брусок сделать единым (цельным), заготовку с отверстием нагреть до температуры, позволяющей увеличить размер отверстия за счет линейного расширения металла, ввести в отверстие калибрующий алмазный брусок, а затем заготовку охлаждать вращая либо заготовку, либо стержень. Охлажденная заготовка будет иметь откалиброванное отверстие нужного размера.
Во всех приведенных примерах АРИЗ позволяет найти решение с помощью отработанных приёмов замены одних механизмов другими, и использования знаний законов действия энергетических полей.
Очередным приемом АРИЗ может быть комбинация сред (вода +воздух): газированная вода, пульпа, пена. В результате комбинации изменяется плотность, текучесть, сопротивление и т. д. Замена одной среды другой – немагнитной на магнитную среды, с низким коэффициентом скольжения – на среду с высоким коэффициентом скольжения и т.д.
ТРИЗу известны более 5000 физических эффектов, в том числе тепловые расширения, некоторые вещества при замерзании расширяются – эффекты фазовых превращений.
Например, ставится задача – измерить снижение уровня воды в водонапорной башне. Прибор находится в закрытом помещении недалеко от башни (стационарный теодолит). Задача решается с использованием эффекта сообщающихся сосудов (с помощью шланга, заполненного водой). Подобный эффект очень часто используется в приборах измерения жидкостей в закрытых сосудах.
Из приведенных примеров можно убедиться, что ТРИЗ и АРИЗ являются определенным инструментом изобретателей, суть которого в том, что принципиально меняется технология производства новых идей (новшеств). Вместо перебора вариантов ТРИЗ предлагает мыслительные действия, опирающиеся на знание законов развития систем и широкий опыт использования их при создании изобретений (новшеств).
Мир творчества становится неограниченно управляемым и потому может быть неограниченно расширен. Творческая революция наступила и движется в одном строю с революциями научными, техническими, космическими, то есть как неотъемлемая часть инновационной эпохи, эпохи знаний.