1.2. Представления о вепольном анализе

Структурный вещественно-полевой (вепо́льный) анализ – раздел ТРИЗ, изучающий и преобразующий структуру систем. Вепо́льный анализ разработан Г. С. Альтшуллером.

Вепо́льный анализ – это язык схем, позволяющий представить исходную систему в виде определенной (структурной) модели. С помощью специальных правил выявляются свойства этой системы. Затем по конкретным закономерностям преобразовывают исходную модель задачи и получают структуру решения, которое устраняет недостатки исходной системы.

Статистический анализ решений показал, что для повышения эффективности систем их структура должна быть определенной. Модель такой структуры называется веполем.

Вепо́ль – модель минимально управляемой системы, состоящей из двух взаимодействующих объектов и их взаимодействия.

Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В₁ и В₂, а само взаимодействие называется полем и обозначается П.

Под «веществом» будем понимать любой объект, начиная с материала, его структуры, молекул, атомов, до самых сложных систем, например космическая станция. В информационных системах это может быть элемент или данные.

Поле может представлять собой любое действие или взаимодействие, например энергию, силу или информацию. В информационных системах это может быть алгоритм.

Веполь изображается схемой (1.1).

Термин ВеПоль произошел от слов «Вещество» и «Поле».

Вепольный анализ включает в себя определенные правила и тенденции. Эти тенденции подчиняются закону увеличения степени вепольности, который будет описан ниже.

Общая тенденция представлена на рис. 1.10 – 1.15.

Форсирование вещества подчинается закономерности увеличения степени управляемости веществом, а форсирование поля – закономерности увеличения степени управляемости энергией и информацией.

Детальная схема закона увеличения степени вепольности представлена на рис. 1.15.

Подробно с вепольным анализом можно ознакомиться в учебнике⁴.

Рис. 1.15. Общая схема закона увеличения степени вепольности

Глава 2. Обзор стандартов

Стандарт на решение изобретательских задач – это правило (или совокупность правил), позволяющее на высоком уровне однозначно решать достаточно широкий класс изобретательских задач.

Таким образом, стандарт должен удовлетворять трем условиям:

1) он должен относиться к широкому классу задач;

2) эти задачи должны решаться совершенно одинаково и

3) решения должны быть обязательно высокого уровня.⁵

Г. С. Альтшуллер

Известные типы изобретательских задач решаются использованием информационного фонда (рис. 2.1) и, прежде всего, типовых решений – стандартов на решение изобретательских задач, которые разработаны Г. С. Альтшуллером в 1975 году. Они представляют собой взаимосвязанный комплекс приемов, физических или других эффектов, имеющих определенную вепольную структуру. Это своего рода формулы, по которым решаются задачи.

Классификация стандартов основана на законах эволюции систем и, прежде всего, на законе увеличения степени вепольности и законах увеличения степени управляемости и динамичности, законах перехода в надсистему и на микроуровне, законе согласования.

Система стандартов, разработанная Г. С. Альтшуллером, содержит 76 стандартов⁶. Она состоит из классов, подклассов и конкретных стандартов. Эта система включает 5 классов. Структура системы 76 стандартов показана на рис. 2.1.

С помощью этой системы можно не только решать, но выявлять новые задачи и прогнозировать развитие технических систем. Общее направление изложения системы стандартов 1-го, 2-го и 4-го классов описывается законом увеличения степени вепольности, поэтому отдельные из стандартов этих классов были представлены ранее при описании вепольного анализа в учебнике третьего уровня.

Пятый класс стандартов помогает идеализировать решение.

Для решения задач можно использовать алгоритм применения стандартов (глава 8).

Опишем стандарты в следующих главах.

Глава 3. Класс 1. Построение и разрушение вепольных систем

3.1. Подкласс 1.1. Синтез веполей

Стандарты подкласса 1.1 включает 8 стандартов.

Главная идея этого подкласса четко отражена в стандарте 1.1.1: для синтеза работоспособной технической системы необходимо – в простейшем случае – перейти от невеполя к веполю. Нередко построение веполя наталкивается на трудности, обусловленные различными ограничениями на введение веществ и полей.

Стандарты 1.1.2 – 1.1.8 показывают типичные обходные пути в таких случаях.

Стандарт 1.1.1. Постройка веполя

Если дан объект, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение веществ и полей, задачу решают синтезом веполя, вводя недостающие элементы.

Данный стандарт соответствует основному правилу вепольного анализа – переходу от невепольных систем к вепольным (простому веполю) и соответствует схеме (3.1).

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.

Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину.

Разбор задачи

Система невепольная.

Систему необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во введении поля, воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины.

Необходимо подобрать поле, которое может осуществить такое действие.

Решение

Между корой и древесиной находится слой клеток (камбий), содержащий большое количество влаги, вскипание которой может оторвать кору. Вскипание можно осуществить с помощью вакуума или нагрева, например токами высокой частоты. Таким образом, рекомендует использовать тепловое поле.

Задача 3.2. Крепеж винта

Условия задачи

Как завернуть винт в труднодоступном месте?

Разбор задачи

Имеется винт и инструмент (отвертка или гаечный ключ).

Система невепольная, ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во введении поля, соединяющего винт и инструмент.

Необходимо подобрать поле, которое может осуществить их жесткое соединение.

Решение

Это могут быть магнитное или вакуумное поля или поле механических сил.

Стандарт 1.1.2. Внутренний комплексный веполь

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение добавок в имеющиеся вещества, задачу решают переходом (постоянным или временным) к внутреннему комплексному веполю, вводя в В₁ или В₂ добавки, увеличивающие управляемость или придающие веполю нужные свойства. Этот стандарт описывается схемами (3.2), (3.3).

Пример 3.1. Вживление электронных чипов

Появилась потребность идентифицировать животных, особенно дорогих.

Разработали чип (рис. 3.1), который вживляют в тело. В чипе записаны все данные о животном и его хозяине. Информация считывается с помощью специального прибора.

Пример 3.2. Самозаклеивающаяся шина

Английская компания Dunlop выпускает самозаклеивающую шину. Внутри, на ободе шины равномерно размещаются несколько баллончиков с клеем. При проколе шины из нее выходит воздух, один из баллончиков получает удар и из него вытекает клей, который заклеивает место прокола. Клей содержит жидкость, пары которой накачивают шину до прежнего предела (рис. 3.2).

Компания Continental запатентовала шину с технологией ContiSeal™.

На внутреннюю поверхность шины (над протектором) наносится защитный слой из полужидкого полимера, который заполняет собой отверстие в шине диаметром до 5 мм или обволакивает тот предмет (например, гвоздь), который стал виновником прокола (рис. 3.3).

Стандарт 1.1.3. Внешний комплексный веполь

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, а условия задачи содержат ограничения на введение добавок в имеющиеся вещества B₁ или B₂, задачу решают переходом (постоянным или временным) к внешнему комплексному веполю, к B₁или B₂ внешнее В₃, увеличивающее управляемость или придающее веполю нужные свойства. См. схемы (3.4), (3.5).

Задача 3.3. Хирургические перчатки

Условие задачи

Хирургические перчатки могут повредиться во время операции или осмотра пациента, при этом врач может заразиться.

Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно проведите разбор задачи по логике АРИЗ.

Примените тенденцию увеличения степени дробления.

Решение

Перчатки делаются двухслойными и между слоями помещают микрокапсулы с антимикробными и антивирусными веществами

(рис. 3.4). Эти капсулы лопаются при разрыве или слишком сильном натяжении резины⁹. Этот способ может быть использован и в других предохранительных средствах из резины (напальчник, презерватив и т. д.).

Пример 3.3. Экзоскелет

Экзоскелет прикрепляется к телу человека, помогает ему быстрее и легче передвигаться, нести больший груз, легче выполнять любые физические нагрузки. Он может использоваться в медицине, например для восстановления утраченных функций, при выполнении тяжелых работ, в военных целях, например для более эффективного выполнения функций солдата, и т. д.

Стандарт 1.1.4. Веполь на внешней среде

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, а условия задачи содержат ограничения на введение в него или присоединение к нему веществ, задачу решают достройкой веполя, используя в качестве вводимого вещества имеющуюся внешнюю среду. См. схемы (3.6), (3.7).

Пример 3.4. Кабель

Кабельная обмотка, которая набухает при контакте с водой, выполняет функцию уплотнения. Набухание происходит за счет суперабсорбирующего порошка¹⁰.

Пример 3.5. Мускулы на пару

Ученые Массачусетского технологического университета создали полимерную пленку, которая работает как искусственная мышечная ткань: поглощая водяные пары, она сокращается. Такая пленка весом 25 мг позволяет поднять груз в 380 раз большего веса. Эта полимерная мышца имеет трехслойную конструкцию. Средний слой образован полипирролом, который создает гибкую матрицу. Два краевых слоя представляют собой мягкий гель из борат-полиола-полимера, который меняет свою форму при поглощении воды. Если пленку толщиной 20 микрон положить на слегка влажную поверхность, то нижний её слой, впитав влагу, разбухает и пленка искривляется. Потеряв контакт с влажной поверхностью, этот слой испаряет влагу и пленка выпрямляется. Цикл многократно повторяется. Если пленку соединить с пьезоэлектриком, то можно получить электрическую энергию¹¹.

Стандарт 1.1.5. Веполь на внешней среде с добавками

Если внешняя среда не содержит веществ, необходимых для построения веполя по стандарту 1.1.4, это вещество может быть получено заменой внешней среды, ее разложением или введением в нее добавок. См. схемы (3.8) – (3.10).

Пример 3.6. Коптильная среда

При копчении рыбных и мясных продуктов создают коптильную среду. Коптильный препарат получают путем насыщения воды компонентами дыма и очищают от смолистых веществ.

В предлагаемом изобретении дополнительно в коптильную среду вносятся растительные добавки в виде спиртового раствора лекарственных растений, например элеутерококка, женьшеня или лимонника в очень малых количествах (коптильная жидкость: спиртовой раствор 1: 0,001—0,049)¹².

Пример 3.7. Самоочищающиеся здания

Алюминиевая обшивка зданий покрывается двуокисью титана, которая под действием солнечных лучей начинает испускать свободные радикалы. Эти радикалы разлагают налипшую на стены копоть, а также преобразуют рассеянные в воздухе ядовитые молекулы окиси азота в безвредные нитраты. Все отходы этого процесса смываются дождем¹³.

Стандарт 1.1.6. Минимальный режим

Если нужен минимальный (дозированный, оптимальный) режим действия, а обеспечить его по условиям задачи трудно или невозможно, надо использовать максимальный режим, а избыток убрать.

При этом избыток поля убирают веществом, а избыток вещества полем.

Избыточное действие обозначено двумя стрелками:

Пример 3.8. Оплодотворение яйцеклетки

Во время эякуляции (мужского семяизвержения) мужчина производит 250 млн сперматозоидов, но оплодотворяет яйцеклетку только один.

В результате эволюции был выработан механизм естественного отбора, в результате которого выбирается самый активный и самый сильный сперматозоид.

При естественном половом акте сперма мужчины попадает во влагалище женщины. Мужская сперма для женского организма – чужеродный объект, поэтому он будет атаковать ее. Иммунная система старается уничтожить чужеродный элемент. Борьба начинается еще во влагалище. Во влагалище повышенная кислотность (pH около 4). Это первая атака с помощью химического поля.

Самые активные сперматозоиды находятся в центре потока, их «защищают» более пассивные, окружающие их, а самые подвижные движутся к шейке матки и дальше, в матку.

Спустя два часа после эякуляции большая часть сперматозоидов погибает во влагалище.

Таким образом, пассивные сперматозоиды уже выполнили свою защитную функцию.

Шейка матки заполнена шеечной (цервикальной) слизью, которая является барьером для проникновения микроорганизмов из влагалища в матку, но она также препятствует проникновению сперматозоидов в матку. Наиболее активна она по периферии. Это еще один барьер естественного отбора. Его проходят только сильнейшие.

Для успешного зачатия в матку должно проникнуть не менее 10 млн сперматозоидов.

Из матки сперматозоиды проникают в маточные, или фаллопиевы, трубы, где движутся против потока жидкости, так как поток создан для движения яйцеклетки из яичника к матке. Кроме того, выстоявшие в потоке сперматозоиды попадают в мягкие стенки фаллопиевой трубы, где выживают сильнейшие, которые ожидают сигнала от яйцеклетки.

Таким образом, это дополнительное препятствие движению сперматозоидов к яйцеклетке.

При получении сигнала от яйцеклетки, движущейся по трубе к матке, оставшиеся сперматозоиды устремляются к яйцеклетке и пытаются пробить плотную белковую оболочку. При этом многие из оставшихся сперматозоидов погибают. Наконец один пробивает оболочку и попадает в яйцеклетку. Если проникнет еще один сперматозоид, то яйцеклетка погибнет. В связи с этим в процессе эволюции был выработан механизм защиты яйцеклетки. Под ее оболочкой имеются микрогранулы, которые при попадании сперматозоида взрываются, и яйцеклетка становится непроницаемой.

Задача 3.4. Зарядка батарей

Условия задачи

Зарядка батарей происходит в течение нескольких часов. Как значительно ускорить этот процесс?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.6.

Решение

Израильская стартап-компания StoreDot разработала батареи, которые быстро заряжаются. Она использовала технологию, основанную на исследованиях болезни Альцгеймера, проводившихся в Тель-Авивском университете. Ученые выяснили, что пептиды (вещества, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот) можно использовать в качестве органической батареи. Из этих молекул ученые смогли получить нанокристаллы, которые можно использовать в качестве полупроводников. Принцип зарядки основан на использовании квантовых точек – фрагментов проводника или полупроводника, настолько крохотных, что на них начинают проявляться квантовые эффекты. Разработчики создали электроды нового типа, получившие название MFE – Multi Function Electrod¹⁴.

Зарядка батареи для смартфона занимает 30 сек., а аккумуляторов электромобиля – 5 мин. После этого автомобиль может пройти 300 миль.

Стандарт 1.1.7. Максимальный режим

Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это по тем или иным причинам недопустимо, максимальное действие следует сохранить, но направить его на другое вещество, связанное с первым:

Пример 3.9. Осьминог

Осьминог для отвлечения внимания хищника выбрасывает чернильное облако.

Задача 3.5. Получение знаний

Условия задачи

Человеку желательно знать всю информацию, которая имеется, но он не способен все воспринять. Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.7.

Решение

Вся информация имеется в Интернете, и по мере необходимости ее получают из интернета.

Задача 3.6. Наилучшие качества

Условия задачи

Природе пришлось решать задачу, как сделать человека с наилучшими качествами.

Заранее неизвестно, какие качества лучше. Значит нужно попробовать все, но этим можно и погубить испытуемый объект (человека).

Как поступить природе?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.7.

Решение

Как всегда, природа поступает мудро. Весь набор качеств был заложен в геноме мужчины. Они были самые умные и самые дураки, самые добрые и самые злые, самые сильные и самые слабые и т. д. Природа испытывала эти качества и наилучшие передавала в геном женщины, поэтому среди женщин нет самых гениальных и самых дурных. Таким образом поисходит эволюция человека. Следующему поколению передаются только самые устойчивые хорошие качества.

Стандарт 1.1.8. Максимальный режим

Если нужен избирательно-максимальный режим (максимальный режим в определенных зонах при сохранении минимального в других), поле должно быть либо максимальным, либо минимальным.

1.1.8.1. Введение защитного вещества

В первом случае в места, где необходимо минимальное воздействие, вводят защитное вещество.

Пример 3.10. Защитное покрытие

Для защиты металлов от коррозии их никелируют.

Однако при появлении механических дефектов (трещин, царапин) в подобных покрытиях начинается активная коррозия металла.

Один из путей совершенствования покрытия заключается во внедрении жидкого ингибитора коррозии в структуру покрытия для предотвращения взаимодействия с окружающей средой. Для исключения преждевременного воздействия ингибитор коррозии заключают в инертную оболочку, то есть формируют микрокапсулы с определенными свойствами¹⁵.

Пример 3.11. Избирательное подавление шума

Подавляется только тот шум, который не нужен, и только в том месте, где он не нужен¹⁶.

1.1.8.2. Введение вещества, дающего локальное поле

Во втором – в места, где необходимо максимальное воздействие, вводят вещество, дающее локальное поле, например термитные составы – для теплового воздействия, взрывные составы – для механического воздействия.

Пример 3.12. Отливки

В процессе остывания отливки возникают внутренние напряжения, приводящие к трещинам. Это происходит из-за быстрого остывания. Чтобы продлить процесс остывания, отливки покрывают экзотермической смесью. Она возгорается от температуры горячей отливки и длительное время поддерживает необходимое тепло.

Задача 3.7. Плодовые мушки

Условия задачи

Плодовые мушки, например дрозофилы, хотят максимально распространяться, но и самцов других пород достаточно много. Самки сохраняют сперму от самцов, с которыми они спариваются, для позднего использования. Как самцу дрозофилы победить их?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.8.2.

Решение

Сперма самца дрозофилы содержит яд, разрушающий другую сперму.