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.

Рисунок 1. Схема установки центрирования полосы

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 два 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 – происхождение 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 гастроскопа. Прибор позволяющий видеть внутренние органы человека с использованием оптоволокна. Это породило новый метод медицинского обследования и, стало основой для новой технологии проведения хирургических операций – лапароскопии. Через 3 небольших разреза (10—15 мм), в полость живота вводятся инструменты – нагнетатель углекислого газа, подсветка и инструмент. Операция выполняется микроинструментом внутри полости.

Рисунок 2. Первый рентгеновский снимок – рука Альберта фон Келликера, 21.01.1896 года

Рисунок 3. Лапароскопическая операция

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.

Рисунок 4. LED-светильник с множеством элементов; один из элементов

Пример

Химическая технология получения алюминия была известна еще в середине XX века. Но она сильно ограничивала получение этого ценного металла из-за своей дороговизны. Созданная в конце XX века технология электролиза алюминия, значительно удешевила его производство, и привела к созданию многих отраслей, в которых стал использоваться алюминий, поскольку он стал доступным по цене – (прокат, фольга, упаковка).

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.

Гастроскопия стала возможной только при появлении световодов. Технология получения световодов появилась в 1930-х годах благодаря немецкому инженеру Генриху Ламму. А хотя сама идея полного внутреннего отражения светового потока внутри струи воды была открыта еще в середине XIX века английским ученым Джоном Тиндаллом, но она не получила промышленного применения. В 1880-х годах была предложена идея передачи светового потока в зеркальной изнутри трубы. Но уровень техники того времени был недостаточен для создания гастроскопа. И только когда Ламм разработал методику передачи светового потока в тонких световодах с полным внутренним отражением, и технологию их изготовления, стало возможным создание этого изобретения.

После этого, в 1960-х годах появилась новая медицинская технология – гастроскопия.