Характеристика изобретательской деятельности

 

Изобретательство (техническое творчество) - древнейшее занятие человека. С изобретения первых орудий труда и начинается история человечества. Каменный топор, гончарный круг, рычаг, колесо и многие другие полезные предметы созданы изобретателями в древности.

С течением времени объекты техники усложнялись, и сделать изобретение становилось все труднее. В связи с этим возникла необходимость в методах решения творческих задач, которые бы целенаправленно приводили к решению возникающих изобретательских задач. Такие методы постепенно создавались и развивались. В настоящее время они получили название дотризовские методы, то есть были известны до создания теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

В технической сфере творцов новых видов и объектов принято называть изобретателями. Отсюда следует большой интерес к личности изобретателя. Несомненно, однако, то, что творческий, мыслительный процесс - это очень сложный процесс работы мозга человека. Психологи, изучающие творческую работу человека, пока находятся на начальных стадиях изучения. В настоящее время они могут дать общие рекомендации для решения творческих задач. Обычно даются следующие рекомендации [1-3]:

1) изобретатель должен быть человеком хорошо информированным и широко эрудированным;

2) изобретатель должен быть глубоко заинтересованным в решении задачи (морально и материально);

3) изобретатель должен испытывать эмоциональный подъем;

4) изобретательство - мучительный процесс, поэтому очень важно преодолеть себя.

При изучении творческой деятельности выявилось, что каждый человек придерживается при решении творческих задач своих, чаще всего им самим выработанных подходов, принципов, методов. Эти методы обобщены, имеют определенную классификацию. Изучив и освоив эти методы, практически каждый человек может успешно решать творческие задачи.

 

Метод проб и ошибок

 

Это наиболее старый (традиционный) и наименее эффективный метод [1-3]. Суть метода заключается в последовательном выдвижении всевозможных вариантов решения, если выдвинутая идея оказывается неудачной, ее отбрасывают, а затем выдвигают новую. Правил выдвижения идей нет, нет и определенных правил оценки идей. О пригодности идей судят субъективно.

На практике метод проб и ошибок выглядит так: после ознакомления с условиями задачи предлагается, а что будет, если сделать так…, а если так... и т. д. Перебирая варианты можно найти решение, а может и нет. При этом нет критериев оценки найденного решения. Является ли оно лучшим?

Характерный пример применения метода проб и ошибок - работа американского изобретателя Томаса Эдисона (1847-1931). Например, при поиске материала для нити электрической лампы накаливания испытывались различные металлы и их сплавы, обугленные нити из шерсти, шёлка, картона, бумаги, бамбука и т. п. Было проведено 3000 опытов, в результате был найден материал – нихром, который и до сих пор используется в электрических лампах накаливания

На более высоком уровне этот метод выглядит так (см. рис. 4.1).

 

Область поиска решения

Рис. 1.1. Схема поиска решения

 

Выбирается определенная поисковая концепция (направление поиска) и разрабатывается. Если вектор поиска не находит положительного решения, то обычно идут в противоположном направлении. Зачастую возвращаются к старому направлению поиска, ищут промежуточные решения. Наконец, попадают в область решения задачи.

Большое значение для успешного решения изобретательских задач по методу проб и ошибок имеет предыдущий опыт, интуиция, умение преодолеть инерцию мышления. Сторонники ТРИЗ считают, что этот метод пригоден для решения простых задач. Альтшуллер Г.С. отмечает, что из пяти выявленных им уровней изобретательских задач метод проб и ошибок вполне пригоден для решения задач первого уровня и приемлем тогда, когда приходится решать задачи второго уровня. При решении задач более высоких уровней метод проб и ошибок, в сущности, бессилен и применение методе ведет к огромным потерям времени и сил. Метод проб и ошибок давно исчерпал свои возможности.

 

Мозговой штурм

 

Метод предложен А. Осборном, который в 1953 году в США издал книгу "Управляемое воображение" [1-3]. Мозговой штурм - это наиболее простой и доступный метод решения изобретательских задач при коллективном поиске. Проводится поиск последовательно в два этапа, двумя группами. Первая группа - "генераторы" - предлагают идеи. Первый этап длится 20-40 минут. На втором этапе вторая группа - "эксперты" - обсуждают и анализируют идеи, выдвинутые "генераторами". К рассмотрению принимается любая идея, какой бы бездоказательной, фантастической она ни была. Нужно найти рациональное зерно в любой идее, в любом предложении.

Группа "генераторов" состоит обычно из 5-12 человек. В группу не приглашают прирожденных скептиков и критиканов. Здесь нужны люди с фантазией, нужны разнообразные специалисты, а также люди "со стороны", т. е. не имеющие никакого профессионального отношения к задаче. Представители со стороны не имеют профессиональных предубеждений и поэтому высказывают неприемлемые, неожиданные и даже несерьезные идеи, но некоторые из них могут иметь рациональное зерно и. следовательно, послужить основой решения задачи. Необходимо внимательно и терпеливо выслушать каждое предложение, каждую идею, найти в них положительные стороны, моменты, любым образом развивать, интерпретировать и совершенствовать идеи.

Философская основа мозгового штурма - теория психолога З. Фрейда (1856 -1939). В обычных условиях мышление и поведение человека определяется сознанием, в котором властвуют контроль и порядок. Но сквозь тонкую корку сознания прорывается подсознание, толкающее человека на преодоление психологических запретов. Поскольку для изобретения необходимо преодоление психологических запретов, то нужно создать условия для прорыва смутных, " неясных, нереальных идей. Не случайно многие изобретатели и люди творческих профессий говорят, что если возникает необходимость решить сложную задачу, то следует озадачить подсознание. А через некоторое время легко и просто находится решение и очень часто во сне.

Разновидностью мозгового штурма являются телевизионные игры, например, "Что? Где? Когда?". Однако поиск решений (ответа) в этих играх идет в очень жестких временных ограничениях, и большую роль играет зрелищность.

Хотя мозговой штурм появился недавно, однако такой подход к решению проблем известен давно. Историки свидетельствуют, что еще у древних народов существовал обычай: в сложных ситуациях для поиска решения опрашивать мнение всех. Хорошо известна варяжская традиция, пришедшая от викингов. Ее суть заключается в том, что в тех случаях, когда корабль попадал сложное (неизвестное) положение, вся команда собиралась вместе. Начиная с юнги, заслушивали предложения всех по выходу из сложившейся ситуации, последним высказывался капитан. При этом соблюдался строжайший запрет критики, каким бы абсурдным на первый взгляд не казалось решение.

 

Синектика

 

В 1961 году в США вышла книга У. Гордона "Синектика: развитие творческого воображения"[1-3]. Слово "Синектика" в переводе с греческого означает совмещение разнородных элементов. Синектика является дальнейшим развитием мозгового штурма. В отличие от мозгового штурма предлагается создавать синектические группы - группы людей различных специальностей для творческого решения возникающих проблем путем неограниченной тренировки воображения и объединения несовместимых элементов. Члены группы называются синекторы. Синектор - это высокообразованный человек с широким кругозором, имеющий, как правило, две специальности. Синекторы - профессиональные генераторы идей, они специально обучаются и тренируются. При поиске новых идей синекторы широко используют четыре вида аналогий: прямая, личностная (эмпатия), символическая и фантастическая.

1. Прямая аналогия. В этом случае рассматриваемый объект илм процесс сравнивается с более или менее аналогичным из другой отрасли техники или из живой природы. Например, человек увидел дерево, упавшее с одного берега ручья на другой. По аналогии устроен мост. Второй пример: пчелиные соты. По аналогии с ними были созданы сотовые строительные конструкции, легкие и прочные.

2. Личностная) аналогия или эмпатия. Синектор отождествляет себя с техническим объектом, вживается в образ объекта. пытается представить, чтобы он чувствовал и делал на месте объекта. Это очень легко делают дети, представляя себя автомобилем, самолетом и т. п. Синектор представляет себя лопаткой в насосе, потоком жидкости или газа, частичкой пыли в пылеуловителе и т. д.

3. Символическая аналогия. Ее сущность заключается в том, что характеристики объекта представляют в обобщении, абстрактном виде и им ищется аналог. Затем производится обратное преобразование к условиям решаемой задачи Символическая аналогия должна быть неожиданной, удивительной, парадоксальной, должна возбуждать мышление. Для технических объектов известны следующие символические аналогии:

атом - энергетическая незначительность;

мрамор - радужное постоянство;

пламя - прозрачная стена, видимая теплота;

труба – пустота, обмазанная сталью;

газовая плита – вечный огонь на дому;

архитектура – застывшая музыка;

настольный вентилятор - застывшая струя, настольный сквозняк.

Теперь попробуем придумать символические аналогии для следующих объектов:

институт - второй дом, взрослеющий ум;

книга - источник знаний;

портфель - портативный склад знаний;

библиотека - хранилище знаний;

телевизор - голубой экран.

Рассмотрим обратные примеры. Дана символическая аналогия, определить предмет.

Пример 1.1. Живой портрет, отражающий пылесборник, двойное единство, сжатая даль, ограниченная бесконечность, всеобщий двойник.

Какой это предмет? Ответ: зеркало.

Пример 1.2. Горизонтальная лестница, сходящиеся параллели, невыбираемый путь, прогибающаяся твердость, ритмичный стук, двойное одиночество.

Какой это объект? Ответ: железная дорога.

4. Фантастическая аналогия. Синекторы прибегают к помощи фантас-тических средств и фантастических персонажей: волшебной палочки, золотой рыбки, демонов, маленьких человечков, киберов и т. п. Если что-то не может сделать, выполнить устройство, машина, человек, то пусть это сделает кибер. П

Синекторы работают по определенной программе, периодически проводят групповые заседания. На первом этапе они формулируют и уточняют "проблему, как она дана" (ПКОД). Особенностью этапа является то, что никто, кроме руководителя, не посвящается в конфетные условия задачи, т. к. считается, что конкретное формулирование задачи затрудняет абстрагирование, не дает уйти от привычного хода мышления. На втором этапе формулируют "проблему как ее понимают" (ПКЕП). Рассматривают возможности превратить незнакомую проблему в ряд обычных задач, т. е. проблема дробится на подпроблемы. На третьем этапе ведется генерирование идей. При этом используют все виды аналогий, и поиск ведется по различным областям техники, живой природы, психологии и т. п. На четвертом этапе производят перенос выявленных идей к ПКОД м ПКЕП и дают им критическую оценку. В результате находят конечное решение.

 

Морфологический анализ

 

Морфологический анализ - метод нахождения всех вариантов решения проблемы или изобретательской задачи. Морфологический анализ чаще всего применяется, когда находятся все возможные конструктивные варианты. Следует иметь в виду, что проектирование тождественно изобретению нового. В отличие от мозгового штурма морфологический анализ - индивидуальный метод, хотя его можно использовать и коллективно.

Морфологический анализ предложил в 1942 году Ф. Цвикки - известный швейцарский астроном [1-7]. С 1925 года он работал в США и во время войны был привлечен к работам по ракетным двигателям. Его удивило то, что одна группа разрабатывает один тип двигателя, другая - другой, третья - третий, а почему именно такой, а не иной - никто не задумывался. Цвикки решил систематизировать поиск. Он составил список важнейших элементов (признаков), определяющих конструкцию двигателя. Затем по каждому признаку были выписаны варианты исполнения. Таким образом. Цвикки получил тысячи (36864) комбинаций возможных и невозможных устройств ракетных двигателей, анализ которых позволил установить наиболее эффективные или оптимальные варианты.

Допустим, разрабатываем установку для добычи нефти в этом случае за основные функциональные узлы можно принять: А – источник энергии; Б - энергопровод; В – рабочий орган; Г – система автоматики [8]. Выбираем варианты исполнения, которые заносим в морфологические матрицу – табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Морфологическая таблица установки для добычи нефти

 

А	Электродвигатель	Двигатель внутреннего сгорания	Гидродвигатель	Ветродвигатель
Б	Электрический кабель	Штанга	Вал	Трубопровод
В	Центробежный	Поршневой	Винтовой	Струйный
Г	Механическая	Гидравлическая	Пневматическая	Электрическая

 

Морфологические матрицы или таблицы могут быть одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трехмерные (объемные). В данном случае получена двухмерная матрица. Полученная матрица наглядно показывает возможные варианты устройства систем.

Морфологический анализ облегчает получение множества новых сочетаний (решений), дает возможность окинуть их единым взором, систематически исследовать и выбрать оптимальный вариант. Морфологический анализ целесообразно применять при решении задач общего характера, при поиске компоновочных или схемных решений.

Д. И. Менделеев попытался расположить известные в то время химические элементы в порядке возрастания атомного веса, то есть построить одномерную (линейную) матрицу Классифицировав элементы, он расположил их в виде таблицы (двухмерная матрица), на основе анализа которой смог предсказать существование нескольких неизвестных элементов и их свойства

 

Метод контрольных вопросов

 

Метод контрольных вопросов (МКВ) - это своего рода краткая памятка изобретателю, "изобретательская шпаргалка". Умение задавать и правильно ставить вопросы ценится очень высоко. Например, философ Сократ (470-399 годы до н. э.), считал, что он умеет в жизни делать хорошо только од­но - задавать вопросы. В самом деле, ответ можно искать и найти, только если поставить вопрос. Правильно сформулированные и поставленные вопросы (список вопросов) позволяют в какой-то мере управлять своим мышлением в процессе поиска решения.

Списков контрольных вопросов предложено довольно много [1-7]. Какой из них выбрать - это зависит от вида (типа) решаемой задачи. А. Осборн предложил список, состоящий из девяти групп вопросов:

1) как по-новому применить объект?

2) как упростить объект?

3) как модифицировать объект?

4) что можно увеличить в объекте?

5) что можно уменьшить?

6) что можно заменить?

7) что можно преобразовать?

8) что можно перевернуть наоборот?

9) каковы возможные комбинации элементов объекта?

Каждая из этих групп включает 5-10 вопросов. В итоге получается довольно значительное количество вопросов.

Списки (перечни) контрольных вопросов используются не по всякому поводу и при решении не каждой задачи. Потребность в них возникает, когда все традиционные методы испробованы и не дали результатов. Поэтому применение списков иногда относят к методам ликвидации тупиковых ситуаций.

Один из наиболее полных и удачных списков вопросов принадлежит английскому изобретателю Т. Эйлоарту. Вот некоторые из этих вопросов:

1) как будут выглядеть фантастические, биологические, экономические, моле­кулярные и другие аналогии?

2) как использовать различные виды материалов и энергии?

3) каково мнение некоторых совершенно неосведомленных людей?

4) каким будут "национальные" решения: хитрое шотландское, все­объемлющее немецкое, расточительное американское, сложное китайское?

5) каким должно быть идеальное решение?

Г. С. Альтшуллер считает, что МКВ внутренне противоречив. Действительно, в основе МКВ лежит метод проб и ошибок, и частично используются элементы мозгового штурма и синектики. Некоторое полезное воздействие МКВ основано на психологическом влиянии: есть список, есть вопросы - это подталкивает продолжить перебор вариантов, не дает возможности остановиться.

МКВ имеет и другой принципиальный недостаток: вопросы относятся к одиночным изменениям объекта. Между тем для решения сложных задач нужна комбинация изменений. Списки, включающие такие комбинации, практически невозможно составить, они получились бы чрезвычайно громоздкими. Если же попытаться их как-то сжать, свернуть, мы придем к морфологическому ящику. С другой стороны, МКВ помогает в какой-то мере уменьшить инерцию мышления.

 

Метод фокальных объектов

 

Метод фокальных объектов (МФО) предложен в 1926 г. немецким ученым Э. Кунце и усовершенствован в 1953 г. американским специалистом Ч. Вайтингом [1-3]. Суть метода состоит в том, что совершенствуемый объект держат как бы в фокусе внимания и переносят на него свойства других объектов, не имеющих к нему отношения. При этом возникают необычные сочетания, которые стараются развивать дальше путем свободных ассоциаций. Порядок применения метода следующий:

1) выбирается объект для совершенствования;

2) формулируется цель его совершенствования;

3) выбирается из книги, каталога, журнала несколько случайных у объектов и выписываются их признаки;

4) эти признаки переносятся на совершенствуемый объект. В результате получаются интересные сочетания, из которых рождаются новые идеи.

МФО можно эффективно применять при поиске объектов для выпуска товаров народного потребления, для решения задач рекламы. Он может применяться для тренировки и развития творческого воображения студентов.

Пример 1. Фокальный объект - отопительный прибор.

Цель поиска: расширить ассортимент продукции завода, повысить спрос на продукцию.

Случайные объекты: дерево, лампа, кошка, сигарета При перенесении признаков случайных объектов на фокальный объект получаем сочетания, заслуживающие внимания: электрический отопительный прибор, сигнализирующий отопительный прибор, меняющий цвет в зависимости от температуры, и т. д.

Для освоения МФО можно рассмотреть в качестве фокальных объектов: насос, компрессор.

 

1.8. Метод "Патенты природы"

 

Метод "Патенты природы" - это метод построения технических систем по природной (биологической) аналогии. Природа - гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы является высокосовершенным произведением, отличается поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расхода строительных материалов при разнообразии форм и конструкций.

На Земле около 1,5 миллиона видов животных и более 500 тысяч видов растений. Окружающая среда ставит перед ними проблемы, удивительно схожие с проблемами людей. Решения, найденные природой, эффективны, экологически безупречны и предельно просты. Умелое заимствование их человеком означало бы большую экономию средств и времени.

Вот несколько примеров из мира растений [1-3].

Строительство.

Изобретатель железобетона французский ученый Ж. Монье, пытаясь изготовить для своих цветов кадки из цементного раствора, впервые применил каркас из металлической сетки. Первый патент на железобетон был им получен в 1867 году, а растениям принцип армирования известен более 250 миллионов лет.

По аналогии с устройством ствола растений создана Останкинская телебашня. Байтовые мосты напоминают провисшую паутину.

Пневматика. Сфагновые мхи (болотные растения) для разбрасывания спор создают в плодовой коробочке давление воздуха около 4 атмосфер, что вдвое больше, нежели давление в шинах легковых автомобилей. Споры в безветрие летят на расстояние до 2 м. Это превосходный результат, если учесть, что размеры плодовой коробочки не превышают 1 мм.

Гидравлика. Широко распространенный в средиземноморских странах "бешеный огурец" выбрасывает смесь из сока и семян более чем на 12 м, развивая давление внутри плода до 6 атм. В теплый солнечный день взрослое дерево березы поднимает 200 л воды на высоту 15м. Корни деревьев взламывают асфальт.

Еще более широкий спектр аналогов дает мир насекомых, животных и птиц. Приведем их краткий перечень, который будет представлять интерес для студентов специальности ТГВ:

1. Крыло самолета - крыло птицы, насекомого. Благодаря особому профилю крыла создается подъемная сила.

2. Полет самолетов, вертолетов - полет птиц, насекомых с зависанием в воздухе и движением вбок, назад, вверх, вниз.

4. Живые землеройные снаряды - дождевые черви, кроты и другие.

5. Сотовые конструкции в строительстве - пчелиные соты.

6. Легкие оболочки - скорлупа яйца, ореха, панцири и раковины животных.

7.Тепловая защита - мех животных (олень, верблюд, овца).

 

Метод эвристических приемов

Когда изобретатель встречается с новой творческой инженерной задачей (ТИЗ), то пытается ее решить с помощью изобретенного способа. Если это не удается, то изобретатель ищет новое решение. Такие способы или правила решения ТИЗ называют эвристическими приемами (ЭП), в которых содержится краткое предписание или указание, «как преобразовать» имеющийся прототип или «в каком направлении нужно искать», чтобы получить искомое решение [5-7]. ЭП обычно не содержит прямого однозначного указания, как преобразовать прототип. Если ЭП имеет отношение к рассматриваемой ТИЗ, то он содержит «подсказку», которая облегчает получение искомого решения, однако не гарантирует его нахождения.

Многие ЭП могут быть успешно использованы в самых различных областях техники. Способы решения ТИЗ, открытые различными изобретателями, имеет смысл собирать, обобщать и обучать им начинающих изобретателей. Именно на этих свойствах основывается метод эвристических приемов, который интегрирует в методически доступной форме опыт многих изобретателей.

Метод эвристических приемов основывается на межотраслевом фонде ЭП, приведенных в табл. 1.2. [1-3].

Таблица 1.2

Межотраслевой фонд ЭП

 

№ группы	Наименование группы	Число ЭП
	Преобразование формы
	Преобразование структуры
	Преобразование во времени
	Преобразование пространстве
	Преобразование движения и силы
	Преобразование материала и вещества
	Приемы дифференциации
	Количественные изменения
	Использование профилактических мер
	Использование резервов
	Преобразование по аналогии
	Повышение технологичности

Итого: 180

Этот фонд содержит описания 180 отдельных ЭП, которые разделены на 12 групп. Межотраслевой фонд ЭП имеет универсальный характер. Поэтому ЭП имеют обобщенное описание. В них под «объектами» подразумеваются ручные орудия и инструменты. В некоторых ЭП наряду с объектом имеет смысл выделять части объекта, которые называют «элементами».

Этапы в постановке и решении ТИЗ методом эвристических приемов,

1. При использовании метода ЭП можно ограничиться предварительной формулировкой задачи либо выполнить уточненную постановку задачи.

2. Решение задачи начинается с выбора подходящих ЭП. Исходной информацией для этого являются: конкретный прототип, который требуется улучшить; главный недостаток прототипа, который необходимо устранить; гласное противоречие развития прототипа, которое требуется устранить. Исходя из этой информации просматривают в табл. 1.2 наименования групп ЭП и отбирают наиболее подходящие группы. В каждой из этих групп просматривают все ЭП и выбирают те ЭП, которые представляют интерес для рассматриваемой задачи. Если выбор групп ЭП вызывает затруднения, то наиболее подходящие ЭП отбирают путем просмотра всего фонда.

3. Преобразование прототипа начинают с помощью выбранных приемов, при этом фиксируют идеи улучшенных технических решений в виде короткого описания или упрощенной схемы. У межотраслевого фонда ЭП есть сильное свойство, которое называем эвристический избыточностью. Во-первых, многие задачи могут быть решены независимо разными ЭП. Вторая разновидность свойства - одновременное использование двух и более ЭП приводит к их взаимному усилению в смысле облегчения нахождения улучшенного технического решений.

4. Следует напомнить, что множество улучшенных допустимых технических решений получено только с учетом главного недостатка или главного противоречия развития. Дальше эти решения используются как прототипы для поиска новых улучшенных технических решений, учитывающих другие недостатки и противоречия развития. В результате получают новое множество улучшенных допустимых технических решений.

5. Для найденных в п. 4 технических решений проводят анализ их совместимости со смежными и вышестоящими по иерархии ТО.

6. Работа по п. 2—5 выполняется для всех прототипов, рекомендуемых в постановке задачи. В результате формируется достаточно полное множество улучшенных технических решений, из которого предстоит выбрать перспективные варианты для дальнейшей проработки.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ