00454-TRIZ 创新发明理论简说.doc

triz 创新发明理论简说在持续要求创新全球市场的竞争压力下，一股创新的热潮正迅速在台湾产业界展开。创新已成为一种 “时髦”的名词，但在这股流行风潮的背后，却暴露出台湾创新能力的种种问题。在以制造代工导向的产业环境，不仅缺少创新文化的沃土，也缺乏能创新的人才。创新的重要性，创新能力的培养等议题，大家是耳熟能详，现在大家所需要的是一个行动计划或方法，以提升企业的创新能力。但一说起创新发明，大部人会觉得是一门高深的学问，要进行创新发明，则更显得不知手措。若从另一个观点来看，想出解决问题的一种新方法，我们就称为创新发明，则你会发现很多人都是天生的发明家，创新发明并不是那么困难。例如，家庭主妇日常生活中的小偏方。但是我们的问题是如何在短时间内有效研发出新产品，而不是依赖随意的奇想；必须创造符合市场的产品创新，同时解决错综复杂的工程问题。因此我们要有好的创新策略，和有效的创新方法。本文所要介绍triz ( theory of inventive problem solving )创新发明理论，可依据如提升价值、降低成本、或功能增强等不同的创新策略，triz 有不同的方法来达成策略目标。triz与其它创新的方法有很多不同之处，除了心理上的技巧，特别强调系统性的创新思考，非常有助于产品的创新开发。国内自民国八十七年起自今，已有超过二十个大学系所在教导 triz 的创新课程，将可大幅提升未来台湾工程师的创新能力。而经由势流科技、中国生产力中心、工研院等单位的推广，企业界有超过一千人受过 triz 创新课程训练。创新能力不是一蹴可机，让我们从认识 triz 创新发明方法开始行动。1.起源创新发明是人类经过非常复杂思考过程的智慧结晶。我们探索这奥妙的思考旅程：从混沌的意象演进成具体的概念，当中有很多的阻碍使我们的思路深陷其中，不得跳脱。genrich altshuller是解决创意问题理论triz ( theory of inventive problemsolving )的发明者，也是拥有众多专利的前苏联发明家。他不断思索在创新发明思考旅程中所面对的种种陷阱和迷宫，试着找出方法，使发明家顺利快速地走到旅程终点 新的解答。他发现在思考旅程中主要有三个思路障碍：心理惯性( psychological inertia )，有限的知识领域，和使用尝试错误法 ( trial and error2002/4/171method )。心理惯性使我们习惯运用旧有思考模式解决问题，如同爱因思坦曾说过： “你的解答不会与你看问题的观点停留在同一层次”，我们解决创新问题( inventive problem )时，必须跳脱心理惯性；另外一个困境是百分之九十你所面对的问题已经在你所不知的领域被解决，由于有限的知识领域，使我们无法运用其它科技领域的解题技巧和知识，所以必须建立和使用以发明为目的的知识库；发明家长久以来最常使用尝试错误法创新发明，甚至发明天才爱迪生也没有其它的快捷方式，事实上尝试错误法是寻找问题解答效率很低的方法，如果能系统式的思考，发明家便能于更短的时间发明更好的发明物。因此 altshuller 从数十万个专利中，研究发明家的思考路径和越过思路障碍的方法，归纳出一个较完整的思考路径图，我们称为 ariz ( algorithm of inventiveproblem solving )，ariz 是 triz 理论中很重要的一部份。有了 ariz的思考路径图，你可很容易避开陷阱，也不会在茫茫的思海中迷失。他对于创新发明思考旅程的众多发现成为 triz理论，也使创新发明不再是天才的灵感，每个人都可以学习 triz 而成为发明家。triz 理论自 1946 年开始发展至今已超过半世纪，研究专利的数目从起始的数十万的专利扩展至数百万的专利， triz的应用领域也从航空、汽车、半导体、电子产品、化工、医药、生物技术等科技领域延伸至管理等非科技领域，triz理论也因此更完整和齐备。目前应用 triz 理论创新发明成功的公司和产品，实例不胜枚举。2. triz 的理论架构实例说明传统的发明流程若是直接由某领域特定的问题找出某领域所需要的解答，这样的思考过程是十分复杂而困难，比较无法跳脱思路的障碍。但是如果先将 specificproblem 转变成 general problem，接着从 general problem 的型式找到 generalsolution，再从 general solution转变成你所要 specific solution，这样的发明流程是比较容易，如图 (一)所示。因为 altshuller分析专利时发现，很多发明虽然内容不同，但是所用的技巧是一致，若我们如果能运用这些发明家解决问题的技巧 (发明的法则 )，则可以加速发明的产生。altshuller从专利中归纳这些问题的型式和方法，提出了新的发明流程和方法，构成了 triz理论。2002/4/172general problemstep 1specific problemstep 2容易复杂general solutionstep 3specific solution图 (一)发明流程现在我们将依据这个新的发明流程，讨论 triz 的理论。从 step 1至 step 3的发 明 流 程 中 ， triz提 供 很 多 可 有 效 打 破 思 路 障 碍 的 方 法 。 step1有substance-field 分析方法；step2 有 76 standard solutions, contradiction and 40principles, evolution of technical system，technological effects 知识库；step3有technological effects 知识库方法。以下就上面三个步骤一一说明。step 1正确的定义问题再怎么强调也不为过。百分之八十问题如果正确地定义，就很容易产生解答。triz理论特别强调问题的定义，substance-field analysis是很有效分析问题的工具。所谓 substance 是任何实体，如固体、液体、任何零组件等；field则包含了机械力场、电磁场、热场等。所谓 substance-field analysis就是分析系统内物体彼此间的交互作用，交互作用就是场的作用。譬如，我们要分析汽车轮胎的问题，系统内有轮胎和路面，路面的凹凸不平使轮胎变形，汽车轮胎的 substance-field analysis可以图 (二)表示：deform 轮胎路面图 (二)轮胎和路面的 substance-field analysis当然系统可能比上面状况更复杂，如有水、石头等其它物质，物质间产生更复杂好的 ( useful )或坏的 ( harmful )交互作用。随着问题状况不同，需要更详细的 substance-field analysis。step 2在 step2 我们必须将 specific problem 可转变成 general problem 。2002/4/17376 standard solutions在上述汽车轮胎的问题，整个转换过程也就是将轮胎、路面以 a、b 表示，fba则代表 deform 的力场，转变的结果可以图(三)表示：fbaab图 (三)一般问题型式 ( general problem format )对于图(三)所表示的一般问题型式 ( general problem )，triz已经提供 76standard solution ( general solution )，可以分类如表(一)：表(一) 76 standard solution1. introduction of new substances10. flow segmentation2. introduction of modified substances11. dynamization3. introduction of voids4. introduction of fields5. mono-bi-poly: similar objects 14.6. mono-bi-poly: various objects 7. substances segmentation8. space segmentation 9. surface segmentation12. rhythm coordination13. action coordination controllability15. transition to another dimension16. evolution of geometric surface17. evolution of geometric volume 18. trimming每一个分类下有更多不同的解答方法。以 introduction of new substance 的general solution为例，其解答可以图(四)表示：afcacbfbc2002/4/17图(四) standard solution 的图示4加入新的物质 c，产生 fac 和 fbc 交互作用，改进了 fba 交互作用。general solution借着是改变原来的 substance-field 模型以改进系统的效能。运用 introduction of new substances 的标准方法，汽车轮胎的问题解决方法如图(五)i：图(五)汽车轮胎的 standard solutioncontradiction and 40 principles另一种 general problem的型式我们称为矛盾 ( contradiction )。矛盾可分为物理矛盾 ( physical contradiction )和科技矛盾 ( technical contradiction )。为了某一目的，必须增加工程系统的某物理量参数 ( parameter )，如温度、长度、面积、体积等；同时为了另一目的，必须降低工程系统的这个物理量参数。这种状况产生了物理矛盾。问题型式可以图(六)表示，系统中某一冲突的物理参数 a，不管如何改变 a 的值，都会产生好的 (实线箭头 )和坏的 (虚线箭头 )效应：a2002/4/175图(六)物理矛盾图示举个例子来说，我们要在具伸缩性塑料水管上打很多直径十公厘的洞，但是水管会伸张、收缩、弯曲，因此精确的打洞是一件困难的任务。如果塑料水管是硬的，精确打洞是很容易；但是塑料水管具有伸缩性。所以这里的物理矛盾是塑料水管的软硬程度，我们必须找出一个方法同时满足塑料水管同时必须是软和硬的矛盾条件。而工程矛盾是以系统中各个零组件关系的观点来看，提升工程系统某一组件的性能而对系统另一组件有负面影响，这种矛盾称为工程矛盾。工程矛盾一般问题型式中的一种，可以图(七)表示，a、b、和 c 为系统中三个组件，a会对 b产生好的效应 (实线箭头 )，而 a会对 c 坏的效应 (虚线箭头 )。bac图(七)工程矛盾图标举例来说，为了改进计算机的散热效能，在计算机的外壳开洞，使内部热空气很容易流出，增进外壳的散热能力，使内部组件温度降低，但是外壳开洞可能使某些元件的结构耐震性能减低，因此产生外壳开洞的工程矛盾。altshuller认为解决矛盾问题，须要高度的创新。一般人常对矛盾问题妥协，使用trade-off 方法，不知道正确解决矛盾的方法。altshuller 的 triz 理论提出了三十九个冲突的参数、四十个法则 ( 40 principles )、冲突参数和四十个法则相关的 altshullers matrix，可有效解决矛盾。例如我们要解决轮胎中钢线的问题，钢线增加轮胎的强度，但同时会增加轮胎重量，导致腐蚀，钢线产生了一个矛盾的状况。可使用如表(四) altshullers matrix解决矛盾，要先找到问题中冲突的参数，如改进的参数为 strength，恶化的参数为 weight strength，则矩阵第一格所列 1, 8, 40, 15 为四十法则中法则的编号，使用这些法则可解决矛盾。若用 40 号法则 “composite materials”，则可得到如图(八)的解答。表(二)三十九个冲突的参数2002/4/176123456789 speed10 force11 12 shape13weight of moving objectweight of stationary objectlength of moving objectlength of stationary objectarea of moving objectarea of stationary objectvolume of moving objectvolume of stationary object(intensity)stress or pressurestability of objects composition14 strength1516duration of action of moving object duration of action of stationary object17 temperature18 illuminationintensity192021 power22232425use of energy by moving object use of energy by stationary objectloss of energy loss of substance loss of information loss of time 26 quantity27 reliabilityofsubstance28 measurement accuracy29 manufacturingprecision303132 ease33343536 device372002/4/17object-affected harmful factorsobject-generated harmful factorsof manufactureease of operationease of repair adaptability or versatilitycomplexitydifficulty of detecting and measuring738extent of automation39 productivity(表三) 四十个法则1. segmentation11. cushion inadvance21. rushingthrough31. porous material2. extraction12. equipotentiality 22.convert harm into benefit32. change color3. local quality4. asymmetry5. consolidation13. do it reverse14. spheroidality15. dynamicity23.feedback24. mediator25. self-service33. homogeneity34. rejecting andregenerating35. transformationof properties6. universality16. partial or excess26. copyingaction36. phase transition7. nesting8. counterweight17. transition intonew dimension18. mechanicalvibration27. dispose28. replacement ofmechanical system37. thermal expansion38. acceleratedoxidation9. prior counteract 19. periodic action 29. pneumatics orhydraulics39. inertenvironment10. prior action20. continuity ofuseful action30. flexible shell or40. compositethin film materials表(四)部份 altshullers matrix恶化的参数特征1weight of2weight of14 moving object stationary object1, 840, 262002/4/17strength17temperature32ease of manufacture840, 1536, 22 6, 3828, 2915, 1627, 122, 35321, 2736, 13 改進的參數图(八)轮胎钢线矛盾的解答evolution of technical system预测未来产品和科技发展趋势，是工程师经常会遇到的十分重要的问题，因为了解 这 种 发 展 趋 势 可 协 助 创 新 发 明 。 事 实 上 科 技 系 统 的 演 进 ( evolution of technical system )并不是混乱无轨迹可循，科技系统生命周期是循着 s 曲线演进，而系统的特征会有一些演进的模式， triz称这种演进的模式为line ofevolution ( general solution )，目前发现有上百种 line of evolution。创新发明的过程中，我们必须了解 specific problem 在 line of evolution中的演进位置，这个定位的程序就是将你的 specific problem 转变成 general problem，接着我们就可使用已知的演进法则找到新的答案 ( general solution )。例如我们要发明新式的轮胎，依据 “substances and object segmentation”的演进趋势，新式的轮胎应该如图(八)所示。另一个例子我们知道有 extruded-fin散热片，鳍片形状是线形，依据 “geometric evolution of linear construction”下一代散热片鳍片形状应该是 2d-curve、3d-curve 或是 composite 3d-curve。图(八)演进的模式2002/4/179technological effects 知识库工程师经常遇到的另一种问题型式是与功能 ( function )有关。举例来说，发明家不知道如何在微小如血管的管子中移动某种化学流体，这是要寻找一种移动化学流体功能有关的 specific problem。这个问题的 general problem format 是找出所有移动流体的方法。triz已经将这种寻找实行同一功能的所有方法，不管是物理、化学、几何任何领域，建立成一本参考书。运用这样的参考书，我们可以很快找到有三十种以上的方法或效应 ( effect )，如表(五)所示。参考书这种编排知识的方式也称为 problem-solving format。表(五)移动流体的方法acoustic cavitation electrocapillaryacoustic vibrationelectroosmosisjet flowlorentz forcethermal expansionthermocapillaryarchimede principle electrophorisismagnetostriction thermomechanicalbernoulli theorem ellipse boiling evaporationcapillary pressureferromagnetism osmosispascal lawresonanceultrasonic capillaryultrasonic vibrationuse of foamcoanda effectcondensation gravitycoulombs lawdeformation ionicfunnel effectinertiaexchangeshock wave spiralsuperfluiditysurface tensionwettingtriz 告诉我们除了上述使用单一物理或化学效应解决问题，我们更可以结合更多不同领域的知识解决更复杂的问题。举例来说，我们想要控制反射光的角度，你会怎么做呢？光学原理告诉我们入射角等于反射角，转动反射物便可改变入射角，因此可以控制反射光的角度。我们需要新的方法，结合使用不同的物理和化学效应来控制反射光的角度。在 triz 中结合这些不同效应 ( effect )的方法是：一效应所产生的现象作为另一方效应的输入，如图(九)所示。inputeffect 1 effect 2output/inputoutpu