Раздел 1.  Классификация изобретений и потребностей

Изобретения бывают разные. Одни – маленький шаг в улучшении  системы, другие – радикально меняют общество.

В 1981 году мне пришлось решать проблему на Верх-Исетском металлургическом заводе.

При обрезке кромок стальной полосы на агрегате продольной резки, необходимо центрировать полосу (7), чтобы обрезать дисковыми ножами (2) достаточно широкие кромки, удаляя все трещины. Но полоса постоянно движется в сторону, поэтому специальный рабочий постоянно регулирует ее положение на агрегате резки рулонов. Чтобы автоматизировать работу агрегата, предложено пропускать обрезаемую кромку (6) через кольцо двух электрических контуров (4). Через один пропускается переменный ток, который наводит ток во второй обмотке. При этом, чем больше ширина обрезаемой кромки, тем больше сигнал. Сигналы, получаемые с двух сторон полосы, сравниваются, и их разность направляется в управляющее устройство (3), которое эффективно заменяет рабочего.

В этом примере, в системе выполнено небольшое изменение – введена управляющая система. Но это изобретение и на него выдано А. С. N 958 047. И таких изобретений каждый инженер может сделать много. Эти небольшие изобретения мало влияют на развитие общества в целом, хотя и решают нужные задачи в определенных условиях.

Наряду с этим, есть изобретения, которые радикально меняют общество. В 1938 году инженеры Эрик Фосет и Реджинальд Гипсон разработали промышленное производство полиэтилена. Первое назначение нового материала – покрытие телефонного кабеля. Теперь мы понимаем, что это было крайне узкое применение полиэтилена, но даже его было достаточно для организации экономически оправданного массового производства.

В  годы Второй мировой войны англичане применяли полиэтилен для производства радаров. А в 1950-х годах началось массовое применение полиэтилена в самых разных областях:

– упаковка (тара, емкости и пакеты),

– трубы для строительства,

– различные детали оборудования и многое другое.

Вскоре, в середине 1950-х  был разработан аналогичный материал – полипропилен. У него были еще больше возможностей – это детали автомобилей, оконные рамы, обшивка домов…

Фактически применение этих материалов радикально изменили многие технологии в строительстве, упаковке, химию, электротехники и других отраслях.

Чем же отличаются эти изобретения?

Г. С. Альтшуллер предложил ввести 5 уровней для оценки качества изобретений, в зависимости от того,

1. Разрешают ли они противоречия,

2. Насколько серьезные изменения происходят в системе, и как влияют они на общество.

И главным критерием является оценка того, сколько вариантов, по мнению экспертов, надо перебрать, чтобы найти решение.

Итак, классификация изобретений Г. С. Альтшуллера:

1-й уровень – Мельчайшие изобретения не связанные с устранением противоречий (до 10 вариантов).

2-й уровень – Мелкие изобретения, полученные в результате устранения противоречия способами, известными в данной отрасли (до 100 вариантов).

3-й уровень – Средние изобретения. Противоречие преодолевается способами, известными в пределах одной науки. Например, «механическая» задача решается «механически»,  «химическая» – «химически» и т.д. (до 1000 вариантов).

4-й уровень – Крупные изобретения. Создается новая техническая система. Поскольку она не содержит противоречий, иногда создается впечатление, что изобретение сделано без их преодоления. На самом же деле противоречия были, но они относились к прототипу – старой технической системе (до 10 000 вариантов).

5-й уровень – Крупнейшие изобретения – пионерные изобретения, порождающие новые отрасли техники. Создается принципиально новая техническая система. Противоречий нет, поскольку еще нет и самой системы; противоречия могут появиться лишь в процессе синтеза системы.  Для создания изобретения пятого уровня нужно предварительно сделать новое открытие (более 10 000 вариантов).

В этой классификации все кажется простым и понятным, но остаются вопросы.

Любая классификация создается, чтобы затем ее использовать для работы. А что дает эта классификация? Деление изобретений на сложные и простые? Так это и так очевидно! И еще, в книге Г. С. Альтшуллер пишет, что изобретений 5-го уровня, создающих новые отрасли промышленности – 0,3% от общего числа изобретений⁷. Но если учесть, что сейчас ежегодно в мире создается около 3 миллионов изобретений, то это означает, что создается около 10 000 изобретений 5-го уровня. Это 10 000 новых отраслей промышленности! Явно нереально! Но почему Генрих Саулович не заметил этой нелепости? Не мог не заметить! Просто в то время ему важно было обосновать необходимость ТРИЗ для решения сложных задач. Для этого и была сделана такая 5-уровневая классификация.

Но для активной работы нужна другая классификация изобретений, которая будет направлять работу специалиста, определять те инструменты ТРИЗ, которые будут наиболее эффективны для решения каждой группы задач.

Глава 1. Классификация изобретений

Предлагается новая классификация. В ее основе – происхождении изобретения. Она не только разделяет изобретения на группы, но и позволяет рекомендовать для каждой группы наиболее эффективные рабочие инструменты (законы и линии развития технических систем и другие инструменты ТРИЗ).

1.1. Первый уровень – пионерные изобретения

Определение: Под пионерным изобретением понимается создание технических систем и технологий, которые:

– реализуют новые функции, которые ранее не существовали; это позволяет создать и удовлетворять новые потребности, которых ранее не было⁸;

или

– реализуют известные функции, но на основе нового принципа действия, что позволяет удовлетворять известные потребности, но на качественно более высоком уровне.

Создание таких систем всегда является основой для появления новых направлений в технике, и даже новых отраслей промышленности. Зачастую они вызывают существенные изменения в обществе. Такие изобретения всегда открывают новые S-кривые⁹.

Пример

Рентгеноскопия

Главное открытие в своей жизни Конрад Рентген сделал 8 ноября 1895 года. Работая в своей лаборатории, он обратил внимание на то, что после включения тока в катодной трубке, почему-то начинает светиться покрытый слоем платиноцианистого бария бумажный экран. Причем происходило это вопреки «здравому смыслу», поскольку трубка была полностью закрыта плотным черным картоном, а значит, свет не мог проходить через него. Он выключил ток – свечение прекратилось, включил – экран снова засветился! И тогда он сделал вывод, что в трубке возникают икс-лучи, которые способны проходить через плотный материал, и заставляют флуоресцировать особые вещества. Причем в зависимости от вида материала и его толщины, преграда пропускала больше или меньше лучей. Как следствие, стало возможным анализировать структуру различных объектов. Установка, разработанная Рентгеном, выполняла совершенно новую функцию – неразрушающий анализ структуры непрозрачного объекта.

Пример

Создание LED-светильников. До этого функция освещения, путем преобразования электричества в световое излучение через нагрев вольфрамовой спирали, выполнялась лампами накаливания. Но использование светодиодов для освещения – новый принцип освещения. Это привело к развитию не только новых систем освещения, но и породило новые направления в других

отраслях, например, новых способов выращивание овощей в многоуровневых теплицах и многие другие.

Основой пионерных изобретений  являются:

– открытия, то есть новое знание в науке и технике;

– усовершенствование одной из подсистем (или технологии) до настолько высокого качественного уровня (скачек в развитии некоторой системы), который обеспечит создание системы с новой функцией.

В рассмотренных примерах:

Рентгеновский аппарат не смог бы быть создан без открытия Рентгеном икс-лучей (за которое он, кстати, получил Нобелевскую премию по физике за 1901 год и право на дворянский титул!).

Появление LED-светильников не могло быть сделано раньше открытия в 1960-1970-х годах желтого, белого и синего светодиодов. В свою очередь, открытия не могли бы появиться без высокого уровня развития техники и технологии выращивания кристаллов оксидов редкоземельных элементов высокой чистоты.

1.2. Второй уровень – не пионерные системы, являющиеся основой новых S-кривых

К не пионерным системам относятся системы, выполняющие известные функции, и в которых используются только известные подсистемы и элементы, но объединение, которых позволяет создать новую систему. В ряде случаев, эта новая система обладает преимуществами, позволяющими преодолеть качественные ограничения, не позволяющие развиваться предыдущим системам, то есть порождает новые S-кривые. Именно такие изобретения относятся ко второму уровню.

Есть три пути создания изобретений второго уровня:

– замена одной из ключевых подсистем на другую, качественно превосходящую предыдущую;

– объединение двух (и более) различных систем в полисистему с образованием нового качества;

– применение системы по новому назначению.

В зависимости потребности, которую удовлетворяет новая система,  от ее рынка, такие системы могут стать основой для создания целых новых отраслей техники.

Замечание: А могут и не стать! Если рынок ограниченный или специфический! Но все равно это будут изобретения второго уровня.

1.2.1. Создание новых систем, через замену одной из подсистем, на подсистему с новым принципом действия, или добавление новой подсистемы (гибридизация 1).

Новые, не пионерные системы, порождающие новые S-кривые, могут появляться, в результате того, что в известной системе одна из значимых подсистем заменяется на новую, позволяющую получить новое качество. Как правило, заменяется наименее эффективная в настоящий момент для данной системы подсистема. Или подсистема, исчерпавшая ресурс развития. Новая подсистема работает на ином (хотя уже известном ранее и используемом в других системах¹⁰) принципе действия, позволяющем получить новое качество.

Примеры

Автомобиль – немного измененная карета, в которую устанавливается двигатель внутреннего сгорания (или электрический двигатель). Обратим внимание на то, что и карета была известна, и двигатель внутреннего сгорания¹¹ вышел на второй этап развития. Но новая система обладала более высокими потребительскими качествами по сравнению с обычной каретой. Именно поэтому и появилась новая величайшая S-кривая – автомобили.

Пример

Беспилотные летательные аппараты – это оснащение самолетов системами управления на расстоянии; первоначально – установка системы телеметрии и замена системы управления. Однако впоследствии произошло полное изменение конструкции. Современные беспилотники совершенно не похожи на обычные самолеты – это новая S-кривая.

Как это ни парадоксально, но такие значимые с точки зрения человечества новые технические системы, как автомобиль, реактивная авиация, не что иное как «простая» удачная замена одной из важных подсистем в технической системе, на качественно более совершенную. И эта замена выполнена в соответствие с известными законами развития технических систем. Они не являются пионерными системами! То есть в классификации ТРИЗ – это ГИБРИДИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Обычно, первоначальная конструкция таких гибридов – довольно механистичная замена одной системы другой или дополнение системы отсутствующим элементом (например, системы автоматического управления вместо человека, соответствие с законом вытеснения человека из системы), При этом все остальные части системы сохраняются. Однако, со временем, эта замена становится основой для радикального совершенствования всей системы. Но происходит это уже в рамках новой S-кривой (см. Раздел 2, глава 3).

Замечание: Стоит отметить, что значимость изобретения для этой группы часто определяется не только (и не столько) самим изобретением, но, в большей степени, рынком системы, и его значимостью для развития общества, то есть Потребностью, которую оно удовлетворяет (см. Раздел 1, глава 2).

Пример

Казалось бы, керосиновая лампа – это всего лишь модернизация масляной лампы, известной еще со времен Древнего Египта, которая стала использовать новое топливо – промышленно производимый керосин (неограниченный ресурс), вместо животного масла (весьма ограниченный ресурс). То есть система совсем не пионерная, и изменения не очень значительные, но изменение доступности топлива позволило резко расширить рынки. Ее появление радикально изменило общества. Клерки смогли увеличить рабочий день (особенно в зимнее время), повысились возможности образования (студенты и учёные получили возможность читать в вечернее время), работники получили возможность работать на предприятиях и мануфактурах в темное время суток, продавцы – продавать товары и т. д.

Важное замечание – гибридизация, в отличие от создания пионерных систем, вполне алгоритмизируемый процесс, а значит, может быть поставлен «на поток».

Поиск таких изобретений может быть выполнен, например, с использованием обычного морфологического ящика. Стоит отметить, что при работе с таким ящиком важную роль играет понимание «тенденции удешевления продуктов». Это существенно снизит психологическую инерцию при создании новых, достаточно дорогих на первом этапе, но пока неэффективных систем. В классификации Г.С. Альтшуллера это позволяет создавать изобретения четвертого-пятого уровней.

1.2.2. Простое объединение двух и более разнородных систем с последующим свертыванием (гибридизация 2).

Объединение разнородных систем позволяет создавать новые объекты.

Пример

В современном комбайне объединены две системы – косилка и молотилка. Но у них общий двигатель, шасси с колесами и многое другое. А технология такова, что одновременно выполняются две операции. И все это делает один человек!

Техника гибридизации хорошо разработана в исследованиях В. М. Герасимова и В. О. Прушинского, и может, после приобретения небольшого опыта, быть использована рядовыми инженерами [12, 13].

Инструментами для гибридизации могут быть, хорошо проработанные на сегодня, функционально-стоимостной анализ и законы развития технических систем. Такой подход позволяет быстро и эффективно создавать изобретения второго-четвертого уровня по классификации Г.С. Альтшуллера.

1.2.3. Использование известных материалов, технических систем и технологий по новому применению

Часто применение известных технологий порождает новые технические системы (новые S-кривые), отличающиеся от тех, которые использовали эти технологии ранее.

Наиболее ярким примером этого являются современные компьютеры. Первоначально компьютеры разрабатывались для выполнения сложных математических расчетов.

Но, в какой-то момент, программисты начали использовать компьютеры для печати картинок символами. Идея была подхвачена и вскоре на компьютере стали печатать тексты, а еще через некоторое время у компьютеров появилась масса новых применений. Теперь математические вычисления – один из узких рынков из всех применений компьютеров. Разумеется, и сама система при этом претерпела существенные изменения.

Грамотные изобретатели, анализируя систему, всегда будут искать ресурсные функции, специфические свойства и характеристики системы, которые пока никак не используются, и которые удовлетворяют новые потребности. Затем они постараются создать новые системы, в которых эти функции будут гипертрофированно развиты, и постараются подобрать для них новые рынки¹².

Пример

В марте 1853 года сестра Леви Страусса пригласила его погостить в Калифорнию. В это время Сан-Франциско была знаменитая золотая лихорадка, и массы старателей стремились в Калифорнию в надежде обогатиться. Шурин Страусса решил подзаработать, и попросил Леви прихватить с собой парусины, которую хотел использовать для шитья палаток. Благо, в то время, в связи с переходом флота от парусников к пароходам, парусина резко подешевела. Однако, когда Леви приехал в Калифорнию, выяснилось, что спроса на палатки нет, зато у старателей большая проблема с одеждой, которая быстро протиралась и портилась. Предприимчивый Страусс сообразил, что парусина может быть использована по другому назначению, и начал шить из привезенной парусины штаны. Это и были первые джинсы! Неожиданно новая одежда стала пользоваться большим спросом. В 1873 году он с Джекобом Девисом получил патент на «Комбинезон без верха», и учредил компанию «Леви Страусс».

Пример

Первоначально магнетрон, изобретение британских физиков Джона Рэндалл и Гарри Бута, созданный в 1940 году, был применен в радарах, способных эффективно наблюдать за небом в поисках самолетов. Этими разработками занималась во время Второй Мировой войны, и сразу после нее, американская компания Рэйтеон¹³.