机械创新设计第四章.ppt

第4章常用创造技法 4 1联想类比法4 2组合创新法4 3转换创新法4 4物场分析法 4 1联想类比法联想是从一事物想到他事物的一种心理活动或思维方式 联想思维由此及彼 由表及里 形像生动 无穷无尽 每个正常人都具有联想本能 世间万物或现象间存在着千丝万缕的联系 有联系就会有联想 联想犹如心理中介 通过事物之间的关联 比较 联系 逐步引导思维趋向广度和深度 从而产生思维突变 获得创造性联想 4 1 1联想法一 相似联想相似联想是从某一思维对象想到与它具有某些相似特征的另一思维对象的联想思维 这种相似 既可能是形态上的 也可能是空间 时间 功能等意义上的 尤其是把表面差别很大 但意义上相似的事物联想起来 更有助于将创造思路从某一领域引导到另一领域 图4 1倍角机构 正切正弦机构 例 防震安全玻璃一天法国化学家贝奈狄斯特得知汽车肇事时车窗玻璃伤及乘客的消息 他蓦然想起前几天的一件事情 不小心把一只药瓶掉在地面上了 但奇怪的是瓶子裂而不碎 是因为瓶子里装的是硝酸纤维溶液 溶液挥发后在瓶壁上留下了一层坚韧的透明薄膜 原因找到后 贝奈狄斯特连夜调配成试剂 并把它薄薄地夹在两层玻璃之间 使它们能彼此牢固粘结在一起 经过反复实验之后 证明效果果然很好 世界上第一块防震安全玻璃就从此诞生了 图3 2行星轧辊原理图 图3 1轧钢机原理图 微波炉的发明美国工程师斯潘塞在做微波空间分布情况的试验时 发现衣兜内的巧克力被熔化 常温下什么原因使巧克力熔化呢 斯潘塞分析是微波使巧克力内部分子发生振荡 从而产生热能 他由此联想到 微波能熔化巧克力 一定也会使其他食品由于内部分子振荡而受热 通过联想发明了微波炉 二 接近联想接近联想是从某一思维对象想到与它有接近关系的思维对象上去的联想思维 这种接近关系可能是时间和空间上的 也可能是功能和用途上的 还可能是结构和形态上的等等 例 化学元素周期表俄国化学家门捷列夫在1869年宣布的化学元素周期表仅有63个元素 他将其按质量排列后 看到了空间位置的空缺 其空间位置的接近性使他产生联想 进而推断出空间位置有尚未被发现的新元素 并给出了基本化学元素属性 1875年 法国化学家布瓦博德朗发现了 镓 门捷列夫立即给布瓦博德朗写信 指出 镓 就是他在1869年预言的 类铅 并说明 镓 的比重不是4 07 而应该在5 9 6 0之间 这使布瓦博德朗感到奇怪 难道自己不如没有看到镓的门捷列夫 通过精确测定 证明门捷列夫是正确的 这是元素周期律首次告捷 此后 门捷列夫预言的元素陆陆续续被找到 这使得门捷列夫和元素周期律名声大振 传遍了全世界 例 整列火车车轮的制动装置美国发明家威斯汀豪斯看到在挖掘隧道时 驱动风钻的压缩空气是用橡胶软管从数百米之外的空气压缩站送来的现象时 他运用接近联想 脑海里立刻涌现了气动刹车的创意 从而发明了现代火车的气动刹车装置 这种装置将压缩空气沿管道迅速送到各节车厢的气缸里 通过气缸的活塞将刹车闸瓦抱紧在车轮上 从而大大提高了火车运行的安全性 至今仍被广泛采用 三 对比联想客观事物之间广泛存在着对比关系 诸如冷与热 白与黑 动与静等等 对比联想就是由事物间完全对立或存在某些差异而引起的联想 由于是从对立的 颠倒的角度去思考问题 因而具有背逆性和批判性 常会产生转变思路 出奇制胜的良好效果 例 吸尘器1901年时的除尘器只能吹尘 飞扬的尘土令人窒息 英国人赫伯布斯运用对比联想 吹尘不好 吸尘如何 他用捂着手绢的嘴试着吸尘土 结果成功了 他负压吸尘器 近似均匀角速度的摆动机构 4 1 2类比法比较分析两个对象之间某些相同或相似之点 从而认识事物或解决问题的方法 称为类比法 类比法以比较为基础 将陌生与熟悉 未知与已知相对比 这样 由此及彼 可以启发思路 提供线索 触类旁通 采用类比法关键是本质的类似 要认识到它们之间的差别 避免生搬硬套 牵强附会 类比法需借助原有知识 但又不能受之束缚 是源于自由想像和超常的构思 类比对象间的差异愈大 其创造设想才愈富新颖性 一 直接类比将创造对象直接与相类似的事物或现象作比较称为直接类比 直接类比简单 快速 可避开盲目思考 类比对象的本质特征愈接近 则成功率愈大 例如 由天文望远镜制成了航海 军事 儿童望远镜 不论它们的外形及功能有何不同 其原理 结构完全一样 例如 物理学家欧姆将电与热从流动特征考虑进行直接类比 把电势比作温度 把电流总量比作一定的热量 终于首先提出了著名的欧姆定律 例如 巴斯德决心征服狂犬病 例 瑞士科学家皮卡尔被称 上天入海的科学家 设计的气球飞到过15690米的高空 将流体浮力和大气浮力直接类比 发明了深潜器 创造了世界上第一只自由行动的潜入最深的深潜器 深10917米 例 气体与水同为流体 具有相同的流体流动特性 压强与流速成反比 1912年大远洋轮 奥林匹克号 正在海上航行 离它100米的铁甲巡洋舰平行疾驶 突然 奥林匹克号 将巡洋舰吸过去并被撞了个大洞 高速前进的火车周围形成很低的气流压强 会对旁边的物体产生吸引作用 当火车开来时人不能离铁轨太近 利用该特性飞机机翼的形状是根据流体的性质设计成流线型 下面平直 上面圆拱 飞行时流过机翼上方的气流速度大 流过机翼下方的气流速度小 机翼下表面的压强要比上面大 形成上下的压力差 使飞机受到一个向上的力 升力 进而在空中飞行 图5 13阶梯面运行装置的分析 图5 14新型阶梯面运行装置 上楼梯小车123 凸轮1作为靠模固定在床身上 从动件2上的滚子在弹簧作用下紧靠着移动凸轮1 当拖板3移动时 和从动件2相联的刀头便切出与凸轮铪廓相同的工件 仿形刀架 二 象征类比象征类比是借助事物形象和象征符号来比喻某种抽象的概念或思维感情 象征类比是直觉感知 并使问题关键显现 简化 文学作品 建筑设计多用此法 玫瑰花喻爱情 绿色喻春天 火炬喻光明 日出喻新生等等 纪念碑 纪念馆要赋予 宏伟 庄严 的象征格调 音乐厅 舞厅则要赋予 艺术 幽雅 的象征格调 三 因果类比两事物间有某些共同属性 根据一事物的因果关系推出另一事物的因果关系的思维方法 称为因果类比法 因果类比需要联想 要善于寻找过去已确定的因果关系 善于发现事物的本质 牛黄广东海康药品公司通过研究发现 牛黄生成的机理是因为混进胆囊内的异物刺激胆囊分泌物增多 日积月累形成胆结石 他们联想到河蚌育珠的过程 由此作因果类比 在牛的胆囊内植入异物 果然形成胆结石 牛黄 化学能 电解水的试验 发现了金属元素 锌片和铜片在盐水中 电能 化学能 电能 电 磁 磁 电 例1 例2 电动机 发电机 伏打电池 磁力定律库仑发现磁针之间也有与电荷之伺相类似的某些现象和作用条件 由此他对磁体之间的作用效果作了猜想 认为有可能与电荷的作用规律相同或类似 于是 他用类比方法 勾划出磁体之间相互作用的数学模型 据此他开始了大量的实验 证明了两个磁体之间的引力或斥力所遵循的规律与带电体的库仑定律是类似的 与两磁体间距离平方成反比 4 1 3仿生法自然界有形形色色的生物 漫长的进化使其具有复杂的结构和奇妙的功能 人类不断地从自然界得到启示 并将其原理应用于生活中 一 原理仿生模仿生物的生理原理而创造新事物的方法称为原理仿生法 比如模仿鸟类飞翔原理的各式飞行器 按蜘蛛爬行原理设计的军用越野车等 超声波的探测仪蝙蝠用超声波辨别物体位置的原理使人类大开眼界 蝙蝠的喉内能发出十几万赫兹的超声波脉冲 这种声波发出后 遇到物体就会返射回来 产生报警回波 蝙蝠根据回波的时间确定距障碍物的距离 根据回波到达左右耳的微小时间差确定障碍物的方位 喷水船乌贼靠喷水而前进 且十分迅速 灵活 人们模仿这一原理 制成了靠喷水前进的喷水船 这种喷水船由柴油机带动轴流泵 轴流泵带动的叶轮先将水吸人 再从船尾的喷水口把水猛烈喷出 靠反作用力推动船体向前行驶 贴雪地汽车科学家们发现平时走路速度很慢的企鹅 在危急关头 一反常态 将其腹部紧贴在雪地上 双脚快速蹬动 在雪地上飞速前进 由此受到启发 仿效企鹅动作原理 设计了一种贴地汽车 使其宽阔的底部贴在雪地上 用轮勺推动 结果汽车也能在雪地上飞速前进 时速可达50多公里 生物膜 人工膜生物体中的生物膜 在物质的分离 输送和浓缩等方面表现出惊人的技能 它像一个优秀的 采购员 凡是自己需要的就拱手相迎 自己不需要的就拒不接收 对于有用的养料采取 只进不出 无用的废物却又 只出不进 而且输送的速度之快令人叹服 生物膜具有特殊的选择性 高度的定向性和极大的渗透性 人们模拟生物膜的结构和功能 研制了人工膜 可以利用人工膜的分离特性处理废水 神奇的液膜在湿法冶金 钠的提取 有机物分离 人工肺 人工肾 长效药和解毒剂的制取方面 都得到了广泛的应用 昆虫的 步话机 外激素当一个蚂蚁找到食物以后 能唤来许多蚂蚁共同搬运 好像带有 步话机 似的 其实它们交换情报不是利用语言 而是用化合物分子作信息 这些化合物叫做外激素 昆虫有多种外激素 其中重要的是性外激素 雌虫在产卵前会释放性外激素 雄虫灵敏的触角接受到这种分子 就追踪过来 从大量的昆虫体内提取外激素 掌握它们的组成和结构 通过人工合成得到它们 人工合成的昆虫性外激素同样能起引诱作用 上当的雄虫纷纷自投罗网 没有雄虫 雌虫产下的卵也不会孵化 这种灭虫的方法 称为生物灭虫法 二 结构仿生模仿生物结构创新的方法称结构仿生法 比如 从锯齿状草叶到锯子 复眼透镜照相机苍蝇和蜻蜓是复眼结构 即在每一个小六角形的单眼中 都有一小块可单独成像的角膜 在复眼前边 即使只放一个目标 但通过一块块小角膜 看到的却是许多个相同的影像 人们仿照这种结构 把许多光学小透镜排列组合起来 制成一次就可拍出许多张相同的影像 钢筋混凝土法国园艺家莫尼哀看到盘根错节的植物根系结构使植物根下泥土坚实牢固 雨水都冲不走的自然现象 用铁丝做成类似植物根系的网状结构 用水泥 碎石浇制成了钢筋混凝土 润滑材料 二硫化钼香蕉皮滑 它由几百个薄层构成 且层间结构松弛 水分丰富 这就是香蕉皮比其他果皮滑一些的原因 据此原理 发明了层状结构的二硫化钼 据此 人们发明了各种重量轻 强度高 隔音和隔热等性能良好的蜂窝结构材料 广泛用于飞机 火箭及建筑上 蜂窝结构材料18世纪初 蜂房独特 精确的结构形状引起人们的注意 巢房正面均为正六边形 背面的尖顶处由三个完全相同的菱形拼接而成 经数学计算证明 蜂房的这一特殊的结构具有同样容积下最省料的特点 人们还发现蜂房单薄的结构还具有很高的强度 比如 用几张一定厚度的纸按蜂窝结构做成拱形板 竟能承受一个成人的体重 人造海豚皮海豚却轻而易举地超过开足马力的船只 其奥妙何在 海豚除具有流线型体型外 其特殊的皮肤结构还具有优良的减小阻力的作用 海豚皮肤分内外两层 外层薄且光滑柔软 内层为脂肪层 厚且富有弹性 当海豚游动时 在旋涡形成的压力和振动下 皮下脂肪层呈波浪式运动 具有很好的消振作用 一定程度减少了高速运动时产生的旋涡 根据海豚皮肤结构的特点 制造了一种 人造海豚皮 它覆盖在鱼雷或船体上 可减少50 的阻力 也能使船速显著提高 三 形象仿生形象仿生是指通过对生物的形态 外观或表面特征等的研究和仿真 加以利用 以创造新事物 比如 从猫 虎的爪子想到在奔跑中急停的钉子鞋 从鲍鱼想到的吸盘等等 沙漠运输的运载工具传统交通工具的滚动式结构难于穿越沙漠 苏联科学家仿袋鼠行走方式 发明了跳跃运行的汽车 从而解决了用于沙漠运输的运载工具 六腿行走式机器对爬越450以上的陡坡来说 坦克也只能望洋兴叹 美国科学家仿蝗虫行走方式 研制出六腿行走式机器 它以六条腿代替传统的履带 可以轻松地行进在崎岖山路之中 从蜻蜓的 翅痣 得到启示后 在现代飞机的机翼的末端装置了一块 加厚区 从此 飞机高速飞行也像蜻蜓一样平稳了 避免了由于 颤振 发生的事故 机翼的加厚区 船鳍鲸鱼死后 仍保持浮游体态的现象令人不得其解 苏联科学家经研究发现 这正是鲸鱼身上的鳍在起作用 鳍 起着推进 平衡及导向的作用 仿照其外形结构 在船的水下部位两侧各安装十个 船鳍 这些鳍和船体保持一定的角度 并可绕轴转动 当波浪致使船身左右摇摆时 水的冲击力就会在 船鳍 上分解为两个分力 其一可防摇扶正 其二可推动船舶前行 因此 船鳍 不仅减少了船舶倾覆的危险 而且还具有降低驱动功率 提高航速的作用 四 信息仿生通过研究 模拟生物的感觉 包括视觉 嗅觉 听觉 触觉等 语言 智能等信息 及其信息的存储 提取 传输等 构思和研制出新的信息系统的仿生方法称信息仿生法 电鼻子狗鼻子的嗅觉异常灵敏 人们据此发明了电鼻子 它是集智能传感技术 人工智能专家系统技术及并行处理技术等于一体的高自动化仿生系统 它由20种型号不同的味觉传感器 一个超薄型微处理芯片和用来分析气味信号并进行处理的智能软件包组成 电鼻子广泛应用于军事领域 比如 利用电鼻子可寻找藏于地下的地雷 光缆 电缆及易燃易爆品和毒品等 响尾蛇 导弹的引导系统响尾蛇的鼻和眼的凹部对温度极其敏感 能对千分之一度的温度变化作出反应 响尾蛇能轻易觉察到身边其他事物的存在 据此原理 美国研制出对热辐射非常敏感的视觉系统 并将其应用于导弹的引导系统 飞机地速计象鼻虫的复眼具有很高的时间分辨本领 每个小眼观察周围景物时 顺次得到自己的 观测数据 并由此计算出自身相对于其他物体的速度 因此 象鼻虫总能自动控制飞行速度 据此原理 科学家们研制成功了一种电子测速仪器 飞机地速计 这种地速计由光电接收器 测高仪 计算机及显示装置等组成 主要模仿了两个小眼顺次接收信号的机能原理 电子蛙眼青蛙只对运动的物体有反应 而且只是对它喜欢吃的昆虫或者与要吃掉它的飞禽才起反应 那么 青蛙的眼睛采用什么方法对视网膜图像进行分析呢 蛙眼视觉细胞的作用不尽相同 基本上可分为五类 每类视觉细胞只对景物的某一特征起反应 分别抽取出不同的特征 这样 一个复杂的图像就分解成五种易于辨别的简单特征 使青蛙能够很快地发现和识别目标 人们根据蛙眼的视觉原理 制成了 电子蛙眼 在雷达系统里 可提高雷达的抗干扰能力 在机场可监视飞机的起落 可根据导弹的飞行特性识别其真伪 在人造卫星发射系统内 可对信息进行识别抽取 既可减少信息发送量 又可削弱远距离信号传输的各种干扰等 尽管有时海上风平浪静 但浅水处的水母却突然纷纷游向深海 随之而来的便是狂风暴雨 水母 耳 腔内有一带小柄的球 在8 13Hz的风暴产生频率传来时 它便振动并刺激 耳 神经 于是它能比人类更早感受到即将来临的风暴 据此原理 人们发明了风暴预警器 它可提前15小时作出风暴预报 风暴预警器 生物钟 人鸡叫三遍天亮 牵牛花破晓开放 青蛙冬眠至春晓 这种现象叫做 生物钟 现象 在人体内也有许多 钟表 指挥着人体各器官生理功能有节律地活动 生物钟的医学中 心脏病人对药物洋地黄的敏感性 凌晨4时大于平时40倍 糖尿病人在夜间在夜间注射胰岛素比白天效果好 生物钟在农业 利用植物季节性生长和成熟规律 采用人工控制光照周期 可使谷物和蔬菜增产 鱼类的洄游是按年节律进行的 掌握它渔民就能轻而易举地找到鱼群 研究生物与时间关系的新学科 时间生物学也已诞生 五 拟人仿生通过模仿人体结构功能进行创造的方法称为拟人仿生法 人体本身就是一架包罗万象的最精密的超级机器 人类对自身的研究深人且精细 所以拟人仿生法具有素材丰富 潜力巨大 应用广泛的研究前景 薄壳建筑人脑头盖骨由八块骨片组成 形薄 体轻 却非常坚固 罗马体育馆的设计师将人脑头盖骨的结构 性能与体育馆的屋顶进行类比 成功地建造了著名的薄壳建筑 罗马体育馆 六杆手指机构机构 田熊式锅炉日本的田熊常吉本是一位木材商 文化程度很低 他最初是从小学自然课中 血液循环 的知识 模拟 而来的 他先画一个锅炉结构模型 再画一个人体血液循环模型 将二者重叠 很快他便发现 心脏相当于汽仓 瓣膜相当于集水器 毛细管相当于水仓 动脉相当于降水管 静脉相当于水管群 这样他就将血液循环和锅炉中水的流动之间建立了新的关系 从而发明了田熊式锅炉 使得锅炉的热效率提高10 前景无限的仿生学仿生学是研究生物系统的结构性质 能量转换和信息的过程 用来改善现有的或创造崭新的机械 建筑和工艺过程的一门综合性科学 对生物神经系统和感觉器官的研究和模拟 占整个仿生学研究的80 左右 今后要创造出更加完善的 人工智能机器人 使它能模仿人和动物神经系统对环境的适应能力 完成相应的工作 将要研究的仿生学海龟游出几千公里外 三年后仍可游回原产卵地 海龟的导航系统正在成为航天 航空 航海研究工作的重点 氢是无污染的能源物质 利用光合作用获得氢能源 模拟蓝藻的不完全光合器 将设计出仿生光解水的装置 可获得大量的氢气 苍蝇因传播多种疾病而令人讨厌 但自身从不受细菌的感染 若人类能够完全破解它的免疫机理 一定能够克服许多威胁人类的重大疾病 跳蚤可跳高度超过自身的100多倍 每4秒跳动一次 可连续跳动78小时不休息 加速度36m s2 垂直起跳所用的力为自身重力的140倍 因而 臭名昭著的跳蚤成为当今航空高科技的重点研究对象之一 4 1 4移植法 它山之石 可以攻玉 若能吸取 借用某一领域的科学技术成果 引用或渗透到其他领域 用以变革或改进已有事物或开发新产品 就是移植创造 1 移植是借用已有技术成果进行新目的下的再创造 它使已有技术在新的应用领域得到延续和拓展 2 移植实质上是各种事物的技术和功能相互之间的转移和扩散 3 移植领域之间的差别越大 则移植创造的难度也大 成果的创造性也愈明显 一 原理移植是将某种科学技术原理向新的研究领域或设计课题上类推和外延 力求获得新的成果 由于原理功能具有普遍性的意义和广泛的作用 所以移植原理创造更能使思维发散 只要某种科技原理转移至新的领域具有可行性 再辅以新的结构或新的工艺设计 就可以创造出一系列新东西 磁性轴承移植了磁悬浮原理 差动运动原理的移植 差动轮系 差动螺旋传动 差动式微调镗刀杆 它是一个单螺旋差动机构 平行轴I和轴II是机构的两个原动件 螺母带动滑台3纵向移动 机构有三种运动状态 1 当轴I固定不动时 轴II转动带动螺母纵向移动 2 当轴II固定不动时 轴I带动齿轮1转动 与齿轮2啮合 使与其固联的螺母转动并纵向移动 3 当轴I 轴II同时移动时 使螺母获得合成的轴向移动并实现快速纵向移动 机床滑台快 慢速移动机构 差速千斤顶 1 组成结构圆锥斜齿轮10与螺母固联 双联圆锥斜齿轮1 8与螺杆用滑键联接 双联圆锥斜齿轮4 5与手柄6固联 而手柄6通过偏心套7设计有两个位置 起重位置 使齿轮10与4啮合 齿轮8与5啮合 卸荷位置 齿轮5与1啮合 位置变换靠转动7上的操纵杠杆来实现 差速千斤顶 处于起重位置时 是双联锥齿轮并联输入为螺旋组合机构 处于卸荷位置时 是普通的螺旋机构 2 传动原理差动千斤顶起重时 手柄6转动通过齿轮10与4啮合 带动螺杆3向上移动 与此同时 与齿轮8啮合的齿轮5带动螺杆3旋转并且向下移动 螺杆3的综合移动量是两个移动量的差 从而达到了省力的目的 用力传动比i Q P来表示差速千斤顶省力的程度 由于P 2 R Q S 所以力传动比i为 式中 R为手柄半径 S为螺杆3的螺距 P为手动力 Q为重物的重量 Z4Z5Z8Z10为齿轮的齿数 若Z4 Z10 40 Z5 24 Z8 26 R 200mm S 6mm 得i 13 104 7 1361 差动滑轮 俗称神仙葫芦 定滑轮是由两个直径差不多圆盘A B组成的 用一根绳子将定滑轮C和动滑轮连结起来 设大轮A的半径是R 小轮B的半径是r 若所挂重物重G 那么拉动差动滑轮的力F应该为多大才能将重物匀速提起 提起重物时 大轮卷起绳子 小轮同时放下绳子 因此定滑轮两侧绳子的承重不同 当动力F向下拉绳子使大轮提起绳子向上转动一周时 移动了2 R的距离 但此时小轮同时转动一周并放下绳子的长度2 r 因此动滑轮和重物上升的高度为 2 R一2 r 2 在不考虑额外功时 根据功的原理 得F 2 R G 2 R一2 r 2 Bingham流体阻力近似解公式 Herschel Bulkley流体阻力近似解公式 TheOptimismofFlowResistantApproximateFormulaofHerschel Bulkleyfluid JournalofChinaUniversityofMiningandTechnology 2004 14 2 123 126 二 手段移植手段移植是指把某一领域里已经成熟运用的方法 装置 结构 技术等 转移到新的领域或事物中加以应用 以创造新事物或解决新问题的思考模式 手段移植的主要目标就是技术的借用或 嫁接 技术包括解决问题所用的一切方法 手段和技巧等 例 日本奥林帕斯照相机的镜头盖三 功能移植功能移植法是指把某一事物在特定领域里所具有的功能 作用或影响等 转移到新的事物或新的领域里加以应用 以达到解决问题或创新事物的思考模式 例 福特流水生产线和头盖骨 四结构移植结构是事物存在和实现功能目的的重要基础 将某种事物的结构形式或结构特征向另一事物移植 是结构创新的基本途径之一 例 尼龙扣例 滑动摩擦变为滚动摩擦的滚动体结构滚珠螺旋丝杠钢球活齿轮传动滚子滚动摩擦导轨 平行四边形机构 户外摄影车 五 材料移植在材料工业迅速发展 各种新材料不断涌现的今天 利用移植材料进行创新设计更有广阔天地 例如 陶瓷发动机的设计在新型发动机设计中 设计者以陶瓷部件取代传统发动机中的气缸内衬 活塞帽 预燃室 增压器等 新设计的陶瓷发动机具有耐高温的性能 可以省去传统的水冷系统 减轻了发动机的自重 因而大幅度地节省能耗和增大了功效 此外 陶瓷发动机的耐腐蚀性也使它可以采用各种低品位多杂质的燃料 例如 桥梁的新设计 4 2组合创新法组合创新方法是指按照一定的技术原理 通过将两个或多个功能元素合并 从而形成一种具有新功能的新产品 新工艺 新材料的创新方法 由于形成组合的技术要素比较成熟 一开始就站在了一个比较高的起点上 好象站在 巨人肩膀上 不需要较多花费去开发专门的新技术 不要求发明者对所应用的每一种技术要素都具有高深的专门知识 所以应用组合法从事创新活动的难度相对较低 虽然组合创新法所使用的技术元素是已有的 但它所实现的功能是新的 如果组合适当 同样可以做出重大的发明 正如阿波罗总指挥韦伯指出 阿波罗中没有一项新技术 都是现成的技术 关键在于综合 虽然飞船上每个零件都是原有的 但把它综合而成登月船却是世界上从来没有的 1979年因发明 CT扫描仪 的得诺贝尔奖的豪斯菲尔德 是一位没有上过大学的普通技术工作者 他所以能够发明 并不是因为他对计算机技术和X射线照相技术有很深的研究 而是因为他善于捕捉当时医学界对脑内疾病诊断手段的需求 通过将计算机技术和X射线照相技术的巧妙组合 4 2 1材料组合有些应用场合要求材料具有多种特征 而实际上很难找到一种同时具备这些特征的材料 通过某些特殊工艺将多种不同材料加以适当组合 可以制造出满足特殊需要的材料 在钢中分别加入铬 锰 硼等元素 可制成耐腐蚀的不锈钢 高强度的锰钢 奇异特性的玻璃钢 V带传动要求带材料具有抗拉 耐磨 易弯 价廉的特征 使用单一材料很难同时满足这些要求 通过将化学纤维 橡胶和帆布的适当组合 人们设计出现在被普遍采用的V带材料 复合材料复合材料开始是在钢筋混凝土启发下发展起来的 玻璃钢是 复合 材料的一种 它是用玻璃纤维和塑料做的 玻璃纤维是玻璃加热熔化而制成的玻璃丝 比头发丝还细 却富有弹性 比铁丝还结实 玻璃钢像钢筋混凝土一样 玻璃纤维相当于 钢筋 塑料相当于 水泥 一经结合 既发挥了玻璃纤维的抗拉性 耐高温等 又保持了塑料的韧性 可塑性等 不碎不脆 复合后 强度比钢大 比重却比钢低80 用玻璃钢制成的小汽车 两个人可以轻松地抬着走 用它做火箭 导弹外壳 可耐瞬时10000 高温 这是其他任何材料都不可能承受的 导电塑料科学家发现塑料也能导电 1970年日本东京技术学院 一位留学生在做有机聚合物的化学实验时 由于不精通日语 误解了老师的话 过多地把某种化学物质加进乙炔气体 产生了酷似金属的塑料薄膜 五年后 美国的艾伦 麦克迪阿密教授访问日本 对这块银色塑料惊叹不已 他们有意将少量碘加人塑料中 出乎意料 这种塑料的导电本领猛增了三干多倍 于是 具有金属般导电性能的塑料问世了 用导电塑料制造的塑料电池 工作原理很像海绵吸水 放电时 电极排斥电子 充电时 电极又吸附电子 电极不会与 溶液 发生任何化学反应而溶解 因此充放电时间快 寿命长 导电塑料还有 绝技 在显示器中 它能叫自己变色 在抗电磁波干扰装置里 有吸收电磁辐射的本领 它还能对付工业静电 4 2 2同类组合将同一种功能或结构在一种产品上重复组合 满足人们更高的要求 这也是一种常用的创新方法 复式显微镜 两片凸透镜的组合发现细胞的两个虎克英国物理学家罗伯特 虎克用自制的复式显微镜第一个发现了细胞 荷兰生物学家列文虎克 1632 1723 有了进一步的发现 研制300倍的显微镜 比罗伯特 虎克的显微镜精巧多了 从英国虎克人造丝设想 人造纤维1664年 英国物理学家罗伯特 虎克在 生物论 中提出了一个大胆的设想 人类通过自己的智慧 可以像蚕一样制出人造丝来 这个诱人的设想 成了许多科学家和发明家孜孜以求的奋斗目标 1740年 法国人卜恩曾经把蜘蛛的胶囊割开 挤出里边的胶液 抽拉成丝 用这种细丝织成了一副手套 法国化学家罗满在研究中没有走卜恩的这种杀蛛取丝的道路 而是用化学方法分析和比较了桑叶和蚕丝的组成 发现后者还含有氮 含氮的差别是一个重要发现 这一发现 开拓了人造丝的新思路 据此 1855年 瑞士人奥蒂玛用含氮的硝酸处理纤维 制成了硝酸纤维 抽出了丝 可惜用这种方法制成的丝并不理想 尚不具有实用价值 1884年 法国查唐纳脱也制造硝酸纤维 再把这种含氮的纤维素放入酒精中溶解 变成溶液 通过细孔压出一条条直径1毫米的细流 将溶液中的酒精蒸发后 变成了一根根细丝 最初的人造丝就这样诞生了 1889年 查唐纳脱的发明物在英国伦敦的万国博览会上展出 获得各国人民的好评 4 2 3异类组合 杂种优势母马和公驴交配 生出来的骡 比马和骡强壮高大 这种现象在遗传上叫做杂种优势 农牧业上推广的杂交玉米 杂交水稻 杂交猪 杂交鸡等等 都是品种间杂种优势的直接利用 现代基因工程但是杂交 般在种内进行比较容易成功 种间杂交难度较大 而且往往是不育的 现代基因工程是利用物理因素或化学因素处理动植物 使它们的基因发生变化 可以产生新的生物品种 原来的青霉素产生菌生产青霉素产量很低 后来用X射线照射青霉素产生菌而育成青霉素高产菌 使青霉素的产量提高了约一千倍 由于不良的基因和优良的基因常常连锁在一起 决定了传统育种方法只是在偶然的机会中才能选出优良的品种 在分子水平上下功夫的基因工程 能将人们需要的优良基因分离提纯 然后转移到动植物体内 用于农作物 就能培育出高产 优质 抗病的新品种 基因工程虽然还不能完全代替传统的育种方法 但这项新技术极容易打破物种与物种之间的天然屏障 有可能在动物 植物和微生物之间取长补短 创造出自然界从未有过并对人类有的新品种 有机界的 骡子 液晶液晶是什么 又是怎样被发现的呢 1888年 澳大利亚的科学家莱尼茨尔 合成了一种有两个熔点的有机化合物 它的固态晶体加热到145 时 熔成浑浊的液体 若继续加热到175 时 似乎再次熔化 变成清澈透明的液体 处于 中间地带 的混浊液叫做液晶 把它比为既不像马又不像驴的骡子 称它为有机界的 骡子 直到1968年 人们才应用它 液晶为什么会显示呢 液晶在正常情况下 分子排列很有秩序 是清澈透明的 若加上直流电场以后 分子的排列被打乱 有一部分液晶变得不透明颜色变深 因而能显示数字和图像 根据液晶会变色的特点 用它指示温度 报警毒气等 液晶随着温度的变化 颜色从红变绿 蓝 液晶遇上微量氯化氢之类的有毒气体逸出 会变色 提醒人们赶紧去查漏 堵漏 带哨子的铝壶天津第四铝制品厂别出心裁 在铝壶的盖子上加了一个哨子 水一开哨子就响起来 把水壶和哨子这两种本无关联的物品 有机地组合在一起产生了一个全新的功能 即水烧开的同时 吹响了哨子 以提醒主人 4 2 4内插组合法麻刀灰浆搅拌机建筑施工中经常要用到加入麻刀的搅拌灰浆 由于麻刀成团 需要预先抽打疏松后方能加入搅拌机内 为使灰浆与麻刀搅拌均匀且节省人力 把弹棉花机的有关机构组合其中 使二者有效地结合 工作时由弹松机构首先把麻刀变得蓬松 再用风力吹入搅拌机里 边吹入 边搅拌 使麻刀均匀与灰浆混合 收到了非常好的搅拌效果 工作效率成倍地提高 结石粉碎德国的一位科学家把两种现象组合到一起 发明了一种有效的清除肾结石的医疗方法 这两种现象 一个是 电力液压效应 即水中两个电极进行高压放电时产生巨大冲击力 能把坚硬的宝石击碎 另一个现象是在椭球面上的一个焦点上发出声波 经过反射后在另一个焦点汇集 他设计了一个温水槽 让患者躺在水槽中 使结石位于椭球面的一个焦点O2上 把电极置于另一个焦点O1上 经过一分钟左右的不断放电 焦点O1产生巨大冲击波经过反射后在焦点O2汇集 将结石粉碎 4 3转向创新法 4 3 1功能转换法打字机的发明与钢琴有着密切的联系 1867年 钢琴调音师索尔斯在一次为钢琴调音时 突然产生一个想法 如果把这些琴键装上26个英文字母后 再把0到9的数字装上去 把键一按便可以打出一段文字来 于是 经过几年的试验 才把由钢琴改造而成的打字机研制好了 直到1874年 美国造枪名厂雷登爷子公司 才正式生产由索尔斯设计的打字机 打字机与钢琴完全是两类不同的器具 在基本使用性能上没有任何联系 按键和打字的原理是相同的 4 3 2用途转化法创新活动是探索性的实践活动 人们会发现某些计划 方法在实践中行不通 这时应根据实践过程提供的信息 及时修正计划 修改方法 继续有效地探索 例如变换用途的方向更有效 拉链曾被人们称作20世纪最精巧的发明之一 发明人是卡特逊的 他发明此物的初衷是想为人们解除系鞋带的麻烦 1893年 他的这项发明获得了专利权 同年他的这项发明拿到芝加哥 哥伦比亚博览会 上展出 这项发明一下子吸引住了一个叫霍克的年轻军官 他决定要建一个拉链厂 并雇用了卡特逊 让他将这项发明试制投产 没想到拉链机的组装并非一件易事 几年过去了也未能搞成 最后卡特逊只好认输而罢休 在这万般无奈的情况下 霍克只好自己研制 时间到了1921年 拉链机终于成功地装好了 在这期间 整整耗去了19年的时间 然而 费尽周折生产出来的拉链却没有人买 因为没有人想用这种东西做鞋带 有家服装店的老板 他想将这种拉链安在围腰的钱包 一试果然销路极好 他一下子发了大财 尝到了甜头 就又接着动开了脑筋 他将拉链用在了飞行服上 销给了海军 这又使他赚了笔大钱 1921年 古德利奇公司又将这种拉链用在了套鞋上 并给它起了个名字叫 拉链 非常受欢迎 1930年 经济严重不景气 但法国服装设计师巴夏列夫却因将拉链用在了女人长外套上而赚了笔大钱 另一家服装店老板也因将拉链用在裤子上 而一跃成为腰缠万贯的巨富 4 3 3缺陷逆用法是指针对事物在现实应用领域里的缺陷 深入分析其缺陷的本质和可用价值 将其转移到另一领域里加以利用的思维方法 在技术发明中 这种巧妙地利用事物的缺点 以毒攻毒 化弊为利 化腐朽为神奇等 就是人们所说的缺陷逆用法 例如 金属腐蚀本来是一件坏事 但有人却利用腐蚀的原理发明了刻蚀和电化学加工工艺 缺陷逆用法按照其利用的方式和对象不同 又可以分为 原理型缺陷逆用 功能型缺陷逆用 一 原理型缺陷逆用是指针对事物在原理应用领域反映的缺陷 在掌握其缺陷作用原理和属性的基础上 将其转移到另外一个领域里加以运用 声发射动态探伤由物体系统内部振动而发射声波的现象 叫做声发射 用小棍轻轻敲砂锅 判断是否有裂纹 铁路工人用小锤敲打火车 等等 1969年美国一架超音速战斗机飞行时 突然 机身右侧传来一阵 噼啪 声 紧接着一声巨响 飞机坠毁在地 根据固体内部的这种叫声原理 科学家发明了声发射技术 声发射仪检测与超声检测一样 都是利用声音来判断物体的形状与结构 超声检测只能对已有裂纹进行检测 看到裂纹现在的情况 声发射检测是对零部件在加工 运转过程中连续进行检测 可以了解裂纹出现 形成的过程 还可以在裂纹不断扩大或出现其他缺陷的情况下及时报警 以保障安全生产 声发射技术好像医生给病人诊病一样 用一个听诊器似的声音探测头放在被测物体的表面 然后在物体的侧面缓缓加上压力 当压力突然撤去时 裂缝处就会有 喊叫 的声波产生 探测头立即把声波接收下来 并把这微弱的 喊叫 声转化为电信号 通过放大器放大 再 翻译 成 浅显的图文展现在人们的眼前 使人们能找出缺陷的准确部位 气蚀 洗衣机气蚀的发现和缺陷 1894年 英国有位叫瓦尔纳布的人发现 海上舰船的螺旋桨运转一段时间后 桨叶片表面变得坑坑洼洼 影响螺旋桨的工作 经过研究 他发现造成这种破坏的是水中产生的一种气泡 气蚀的原理 水力机械的旋转部件工作时 水中会不断地产生气泡 然后破灭 再产生 再破灭 这种气泡破灭时会产生巨大的冲击力 使机械部件逐渐破坏 这就是 气蚀 破坏 气蚀的逆用 日本的科学家化弊为利 把 气蚀 应用于洗衣机中 利用气泡破灭产生一种不大不小的作用力 代替洗衣粉 把衣服表面肮脏的微粒清除掉 蛤蟆夯机械结构的不平衡会引起转动时的振动 利用这一原理 发明了用于在建筑施工中夯实地基的机械夯 蛤蟆夯 电动机4通过两级带5 3使带有偏心块7的带轮6回转 当偏心块7回转至某一角度时 夯头1被抬起 在离心力的作用下 夯头被提升到一定高度 同时整台机器向前移动一定距离 当偏心块转到一定位置后 夯头开始下落 下落速度逐渐增大 并以较大的冲击力夯实土壤 飞机起落架机构 钻床工件夹紧机构 死点 机械传动中的摩擦在运动副中的摩擦力是一种主要的有害阻力 但可利用摩擦来工作的 例带传动 夹具 摩擦离合器 制动器等 图为偏心圆盘夹具 它是利用摩擦自锁工作的工作 摩擦自锁 二 功能型缺陷逆用功能型缺陷逆用是指根据事物在原应用领域中表现出来的缺陷 在分析和掌握其缺陷所具有的功能或属性的基础上 将其转移到另一个领域里加以运用 凡士林1859年 美国20岁的药剂师切斯博到宾州油田去参观 得知工人非常讨厌抽杆上所结的 杆蜡 必须及时清除 但是工人们在抱怨的同时 却告诉他这种东西有个奇效 对人体的割伤有止痛治疗作用 斯博罗的注意收集了许多杆蜡的样本带回去 花了11年时间研究 从杆蜡中提炼出不会腐败变臭的油膏 凡士林 三 意义型缺陷逆用 所谓意义型缺陷逆用 是指事物在通常意义上或认定的弊端或缺点 换一个新角度 进行适当的转换 加以利用 以达到创造目标的思维方法 开启状态 关闭状态 泰晤士河防潮闸普通水闸通常沿垂直方向开启和关闭 而英国泰晤士河防潮闸则设计为闸门的开启和关闭的操作 是以旋转运动实现的 水对闸的作用力合力通过旋转轴心 高潮位时下游的海水对水闸的作用不会影响水闸的阻水功能 4 3 4原理转化 振荡式压路机压路机通常依靠自身重量实现对路面的压实 图中的振荡式压路机除靠自身重量的作用外 还通过机身的振荡增强碾压效果 在图a中机身沿垂直方向振荡 振荡对驾驶员的影响较大 图b中将机身的振荡方向改在水平方向 既减小了振荡对驾驶员的影响 又增强了碾压效果 使用证明效果良好 表在机械表中 通过擒纵调速机构调整走时速度 该机构中摆轮和游丝所构成的质量弹簧系统的摆动频率成为机械表的时间基准 由于这一系统的频率受到温度 润滑条件等众多因素的影响 因此 很难以廉价的方法使这一系统获得长时间稳定 寻求用其他的工作机理作为时间基准时 发现石英晶体振荡器电路具有极高的频率稳定性该要求 石英电子表大幅度地提高了计时精度 同时简化了计时器的结构 静电复印机低价位打印机文字传送机美国发明家卡尔森 想发明复印机 但多次试验均遭失败 他冷静地思考失败的原因 并通过查阅专利发现 以前复印机的