"АЛГОРИТМ ИЗОБРЕТЕНИЯ" - читать интересную книгу автора (АЛЬТШУЛЛЕР Г. С.)

ЛОМАЯ СТАРУЮ ФОРМУ

Изобретение не самоцель, оно нужно для решения той или иной практической задачи. Из двух изобретений, дающих одинаковый технический результат, вообще говоря, предпочтительнее то, которое развивает уже известную модель, опирается на уже отработанную технологию. Такое изобретение легче внедрить, оно дает больший экономический эффект.

Как же в таком случае происходит нередкий в наше время переход к «совсем новым», оригинальным машинам?

Иногда такие машины создаются на основе новых научных открытий, но значительно чаще они возникают из старых, подобно тому, как бабочка возникает из совсем непохожей на нее куколки.

Обозначим исходную модель машины символом A v Она состоит из отдельных частей, например двигателя, трансмиссии, органов управления, рабочих органов. Каждая часть имеет несколько узлов (так, трансмиссия автомашины, например, включает сцепление, коробку передач, карданный вал и т. д.), каждый узел состоит из деталей.

Изобретение может относиться к деталям, узлам или частям машины. Полученный при этом эффект отнюдь не определяется тем, на каком уровне сделано изобретение. В результате частичных изобретений машина постепенно совершенствуется, что символически можно изобразить таким рядом: Аи А%у^з, А*- Ая. Наконец появляется изобретение Лп+1, которое хотя и относится (как все предыдущие) к одной детали (узлу, части) машины, но вызывает необходимость (или открывает возможность) существенно изменить все другие части. Лп+1ока-зывается равным Бги открывает новый ряд: Б и Б 2, Вз- Бп. Обычно новая техническая идея относится к какой-то одной части исходного объекта. Но это частичное изменение нередко создает возможность (а порой и вызывает необходимость) соответственно изменить другие части объекта, работающие совместно с измененной частью. Более того, появляется возможность изменить и м е-тоды использования всего объекта. Происходит своего рода цепная реакция: первоначальное частичное изменение влечет за собой цепочку других изменений. В результате слабая вначале идея крепнет, становится более сильной.

Изобретатель приступает к этой (синтетической) стадии творческой работы после того, как найдена техническая идея, решающая поставленную задачу. В большинстве случаев идея сначала бывает «частичной» - модель Л4 переходит в А$. Однако переход к Лб создает возможность сделать еще один или несколько очевидных шагов: изменить одну часть (например, сделать легче, компактнее) или по-новому расположить. Приложив усилия, чтобы прийти от Л4 к А$, изобретатель как бы получает право на относительно легкий переход от Л 5 к Л б нли Ат. В некоторых случаях можно даже сразу перейти от Л б к Бь

К сожалению, найденная идея чаще всего используется далеко не в той мере, в какой это возможно и следовало бы сделать. Изобретатель совершает лишь переход от Л п к Лп+1 и на этом останавливается. Между тем новая модель машины Л п+1 уже созрела для существенных изменений: кокон может превратиться в бабочку, но остается коконом из-за инерции изобретательского мышления.

На рис. 33 изображен первый мотороллер, созданный в 1920 году. Нетрудно заметить, что это обычный детский самокат, на котором установлен двигатель. Самокаты тоже появились не сразу. Применяя нашу символику, это ряд моделей Ль А % Л3… Лп. Когда на самокат поставили двигатель, модель Лппревратилась в Лп+1. Однако.са-мокат остался самокатом: другие его части (и, следовательно, машина в целом) не претерпели изменений.

Конечно, самокат с двигателем лучше обыкновенного. Но возможности частичной идеи были использованы очень слабо. Обратите внимание, например, на высоко расположенное седло. Раньше такое расположение седла вызывалось необходимостью: человек, выполнявший обязанности двигателя, должен был стоять - это его рабочая поза. Затем совершился переход от Лп к Дп+1: на самокат поставили двигатель внутреннего сгорания. Для чего теперь нужно высокое седло? Ведь водителю нет необходимости стоять, он может сидеть. А опустить седло - значит уменьшить высоту центра тяжести, сделать машину более устойчивой и лучше управляемой. Это, в свою очередь, даст возможность использовать более мощный двигатель, для которого, собственно, уже освободилось место под сиденьем водителя (ноги «ушли» вперед, под сиденьем образовалось свободное пространство). Стоящего во весь рост человека не прикроешь обтекателем - получится нечто слишком громоздкое. Другое дело, если водитель сидит: можно поставить обтекаемые щитки, которые значительно уменьшат сопротивление движению.

Так изобретение, меняющее одну часть машины (двигатель), приводит к каскаду изменений в других частях и, следовательно, во всей машине. Впрочем, вместо «приводит» правильнее сказать «могло привести». На практике судьба мотороллера сложилась иначе.

Частичное изобретение (замена двигателя) так и осталось частичным: Аппревратилось в Лп+1, и только В более поздних моделях седло постепенно опускалось, а двигатель постепенно перемещался под седло, к тому свободному пространству, которое словно специально для него предназначалось. Одна из таких промежуточных моделей показана на рис. 33, б. Двигатель уже «ушел» с переднего колеса, но еще не «пришел» к заднему. Водитель почти сидит на двигателе, а под креслом остается свободное пространство…

Рис 33 Путь совершенствования мотороллера-А - модель 1920 г; Б - промежуточная модель, В-машина современного вида.

Около трех десятилетий мотороллер был только диковинной забавой. В самом деле, если все равно приходится сидеть верхом на двигателе, то зачем нужен мотороллер, когда существуют мотоциклы?… Но вот двигатель, завершив путешествие, ушел под седло мотороллера. Машина приобрела современный вид (рис. 33, в) и новые качества, которых нет у мотоцикла. Оказалось возможным полностью закрыть мотор. Освободилось очень удобное, прикрытое щитками место для ног водителя. Машина стала устойчивой, комфортабельной. На ней можно ездить даже в белой одежде. И мотороллер начал успешно (особенно» в городах) конкурировать с мотоциклом.

История мотороллера - не исключение. В подавляющем большинстве случаев изобретатели, решив задачу и внеся в объект то или иное частичное изменение, воздерживаются от других изменений, казалось бы очевидных и закономерных. Так, первые автомобили были сделаны из обычных колясок: выпрягли лошадей и «впрягли» мотор» У некоторых конструкций в передней части был даже расположен макет торса лошади!

Первый мотоцикл был велосипедом обычной для своего времени конструкции. Единственное отличие состояло в том, что на педали жал не человек, а двигатель внутреннего сгорания.

На рис. 34 изображено одно из новейших изобретений-машина для шовной сварки эластичного пластиката. Ультрасовременная (и прогрессивная!) идея использования токов высокой частоты для сварки пластмассовых изделий облечена в допотопную конструктивную форму. Пока пластмассовые детали изделий соединялись нитками, годилась обычная швейная машина. Но вот рабочий орган машины кардинально изменен - вместо иглы и нитки появился ролик, на который подаются токи высокой частоты. Здесь, пользуясь нашей символикой, надо говорить не о переходе от Апк Ап+1, а о стремительном рывке от ряда А к ряду Б и даже В. Однако стремительного рывка не последовало - была создана типичная «автолошадь».

Рис. 34. Ультрасовременная идея облечена в архаическую конструктивную форму.

Традиционная компоновка швейной машины была обусловлена тем, что функции двигателя выполнял человек Правой рукой он крутил вал машины, а левой регулировал подачу ткани под иглу. При ножном приводе эта компоновка тоже была целесообразна. Однако в машине, изображенной на рис. 34, шов образуется под действием токов высокой частоты, почему же теперь человек должен сидеть так, как он сидел, работая в качестве двигателя?!

Если электроаппаратуру спрятать под машину, вся установка станет значительно компактнее, ее можно будет прикрыть одним кожухом. А сидеть удобнее слева, в непосредственной близости к рабочему органу машины,- с этой стороны и должен находиться человек, обслуживающий сварочную машину для пластмассовых изделий.

* * *

Синтетическая стадия своеобразна. В отличие от предыдущих она, вообще говоря, не обязательна. Новая техническая идея, решающая изобретательскую задачу, возникает до синтетической стадии. А когда идея найдена, можно сразу переходить к ее конструкторской разработке. В большинстве случаев так именно и поступают. В результате изобретение остается частичным, хотя могло

Рис. 35. Приставка-обтекатель.

бы стать первым звеном в длинной цепочке других изобретений.

Был, например, предложен способ толкать буксиром не одну баржу, а две, поставленные борт о борт. Однако при этом между носовыми оконечностями барж получалась широкая впадина, тормозящая движение состава. Казалось бы, сам собой напрашивался следующий шаг: надо прикрыть впадину приставкой, которая обеспечит обтекаемость (рис. 35). Однако эта идея (авторское свидетельство № 288575) появилась совсем недавно.

Своеобразие синтетической стадии в том, что ее шаги независимы друг от друга и просты, главное - не забыть их сделать. Но это опять-таки своеобразная простота. Предположим, что новая техническая идея привела от машины А ъ к А±. Тогда в результате синтетической стадии почти каждый изобретатель может прийти от Л 4 к А^. Дальнейшее же продвижение всецело зависит от объема знаний (теоретических или приобретенных в процессе производственного опыта).

* * *

Взяв прототипом объект Ап» изобретатель может поставить две разные задачи. Можно сформулировать задачу так: «Перейти от А п к Ап+1 или даже, развив найденную идею, к Лп+2». А можно поставить задачу иначе: «Минуя весь ряд от Лп+1 до Лп4т, сразу выйти к Б\».

Иногда спрашивают: что лучше - совершенствовать имеющуюся машину (способ) или искать нечто совершенно новое? С таким же успехом можно допытываться: что лучше - стрелять на пять метров или на пятьсот километров?…

Все зависит от конкретных условий, и прежде всего от целей, которые ставит перед собой изобретатель или коллектив, решающий изобретательскую задачу. Если нужно, чтобы задача была решена как можно быстрее, то целесообразнее совершенствовать прототип. ИКР в этом случае формулируется так: «То, что есть, минус недостатки» или «То, что есть, плюс некоторое улучшение». При такой тактике задача решается сравнительно быстро (чаще всего на третьем уровне), а внедрение изобретения не вызывает особых трудностей. Если же нужно получить качественно новый эффект, целесообразнее сразу отказаться от прототипа, навязываемого условием задачи. Прототипом должна быть идеальная машина (идеальный способ). В таких случаях объектом в ИКР часто бывает «внешняя среда»: «Внешняя среда сама обеспечивает то-то и то-то». Слова «внешняя среда» помогают оторваться от старого, негодного прототипа и понять - что должна делать новая машина (новый способ), как она должна работать.

Действуя подобным образом, можно прийти к идее четвертого-пятого уровней. Но и внедрение изобретения потребует в этом случае значительно большего времени. Приходится «с нуля» разрабатывать конструкцию, многократно испытывать и переделывать ее, преодолевать недоверие и сомнения тех, кто привык оставаться в рамках совершенствования старого прототипа.

Оба пути хороши - в зависимости от конкретных обстоятельств. Но если вслед за Апдолжно идти не Ап+1, а Б\, то никакие попытки совершенствовать прототип (то есть изобретать, оставаясь в рамках А и не переходя к ряду Б) не дадут положительного результата.

Историки техники и патентоведы подметили, что, когда прототип молод, он быстро и легко изменяется: за короткое время появляется много изобретений, направленных на его улучшение. Наблюдается своего рода «патентный пик». На этой основе некоторые исследователи предлагали прогнозировать перспективы развития технических объектов: чем круче поднимается кривая выдачи патентов и авторских свидетельств, тем перспективнее рассматриваемый технический объект. К сожалению, когда ряд Ль Лг… подходит к Б, тоже возникает «патентный пик». Изобретатели напряженно работают, число изобретений быстро растет, но результаты почти неощутимы.

Сейчас такой «патентный пик» наблюдается, например, в цементной промышленности. Современная цементная печь - гигантская вращающаяся труба (длина до 250 м, диаметр до7 м). Вдоль трубы медленно передвигается поток сырья, а над ним несутся раскаленные газы. Даже неспециалист может представить, насколько трудно передать тепло от газа к сырью: ведь газ соприкасается только с поверхностью сырьевого потока. Чтобы улучшить условия теплопередачи (от этого зависит производительность печи), давно было предложено навешивать внутри печи цепные завесы. Металлические цепи помогают переносу тепла от газа к сырью. После этого изобретения наступила пауза, тянувшаяся десятки лет. Если хотели улучшить теплопередачу, просто увеличивали количество цепей. В современной печи общий вес цепей свыше 100 тонн. И вот возник «патентный пик»: появился поток изобретений на тему «повесим цепи не так, а так»… «Цепная завеса выполнена с дополнительными цепями, закрепленными на основных цепях и свободно висящими между ними» (авторское свидетельство № 226453). «Концы цепей прикреплены к гибкому элементу, выполненному, например, из цепи» (260484). «Цепи другим концом прикреплены к корпусу печи» (310095). Цепи громоздятся на цепи, как когда-то, до изобретения парохода, паруса громоздились на паруса…

Чем больше цепей будет в печи - тем большую долю тепла газов можно использовать. Но чем больше цепей - тем выше сопротивление движению газов. Чтобы газу было удобнее двигаться, цепей не должно быть вообще. А чтобы теплу удобнее было переходить от газа к сырью, все пространство печи должно быть заполнено цепями. Четко выраженное техническое противоречие! И если поток однотипных изобретений не справляется с противоречием, это верный признак, что возможности развития объекта (цепных завес) исчерпаны.

Для изобретателя (а тем более для коллектива, решающего технические задачи на уровне изобретений) чрезвычайно важно иметь представление о логике развития технических объектов. Это необходимо для прогнозирования новых технических задач, для выбора между прямым и обходным путями решения, для правильного анализа задачи и успешной разработки найденной идеи.

Технических объектов много, и они очень разнородны.

Но есть нечто общее, присущее всем техническим объектам: все они являются системами. При системном подходе технические объекты рассматриваются как целостные организмы, подчиняющиеся общим законам развития. Карманный фонарик, двигатель, тепловоз, химический завод, речной транспорт - все это примеры технических систем. Внешне они нисколько не похожи друг на друга. Их объединяет то, что они системы, т. е. нечто большее, чем арифметическая сумма составных частей. Поясню аналогией. Молекула воды - система, а не арифметическая сумма двух атомов водорода и одного атома кислорода. Человек - система, а не простая сумма скелета, мышц, сердца и т. д. Точно так же любая машина - система, целостный организм, а не сумма частей.

Всякая техническая система - будь то швейная машина, шахта или сеть железных дорог - развивается в определенной последовательности. В приложении 2 дана общая схема развития технических систем. Давайте разберемся в ней.

История любой технической системы начинается с того, что… системы еще нет. Это первый - досистемный - уровень. Изобретатели понемногу совершенствуют отдельные элементы А, Б, В, хотя путем объединения элементов в систему можно получить новый эффект. Вот типичный пример. Чтобы сохранить корм, заготовленный на зиму для скота, нужно поддерживать определенную температуру. В корме выделяется тепло, приходится вентилировать и охлаждать кормохранилища; в этом направлении много лет работали изобретатели в разных странах. Есть патенты на сложные (и не очень надежные) системы поддержания заданного режима. А тем временем другие изобретатели создавали системы утепления и обогрева коровников, свинарников и т. д. Наконец, в авторском свидетельстве № 251801 появилась идея создания системы: «Сельскохозяйственная ферма, включающая помещение для содержания животных и башенные хранилища кормов, отличающаяся тем, что, с целью использования биотермического тепла кормохра-нилищ для улучшения микроклимата помещения при содержании животных, хранилища выполнены в виде линейного блока башен, встроенного в стену помещения для содержания животных». Система «кормохранилище и помещение для животных» обладает новым качеством: нет необходимости охлаждать корм и нагревать помещение.

Когда система создана, она кажется естественной, очевидной. Но разглядеть будущую систему в разрозненных еще элементах - дело не такое простое. Здесь особенно нужно умение видеть проблему под углом зрения основных идей АРИЗ - я называю это аризным мышлением. Об одном таком случае рассказал изобретатель М. Шарапов в газете «Магнитогорский металл» за 26 апреля 1969 г.

Для удаления золы и шлака, рассказывает М. Шарапов, на комбинате применялся гидротранспорт. При проектировании предполагалось, что трубы будут изнашиваться из-за трения. Для увеличения срока службы линии было решено через определенное время поворачивать трубы, а транспортируемый шлак предварительно измельчать на дробилках. Трубы, однако, не изнашивались, а, наоборот, зарастали. Возникла задача* как удалять твердую корку, образующуюся на стенках внутри труб? Ее отбивали -это была весьма трудоемкая работа. Корку пытались сдирать, пропуская по трубам воду с коксом. Ручного труда при этом не было, но на время прочистки трубы процесс приходилось останавливать.

Зная методику решения изобретательских задач, Михаил Иванович Шарапов подошел к задаче иначе. ИКР очевиден труб.а должна очищаться сама Очевидно и другое: если борьба с вредным фактором оказывается безуспешной, целесообразно выбить клин клином, т е. устранить вредный фактор за счет сложения с другим вредным фактором. В самой трубе нет «другого вредного фактора». Следовательно, надо объединить трубу с чем-то, создать такую систему, в которой «минус на минус даст плюс». Самое простое - найти трубы, которые не зарастают, а изнашиваются Износ плюс зарастание дадут то, что требуется,- самоочистку. Найти изнашиваемые трубы оказалось легко: это были трубы для гидроудаления угольных отходов. Они изнашивались настолько сильно, что решено было вовсе отказаться от гидротранспорта и возить угольные отходы на автомашинах…

Две линии труб шли рядом. Но одни специалисты боролись с зарастанием труб, используемых для удаления золы и шлака, и интересовались только этим. А другие специалисты боролись с износом труб, предназначенных для удаления угольных отходов, и тоже видели только свои трубы.

Шарапов предложил (авторские свидетельства № 212672 и № 239752) пропускать гидросмеси поочередно. Сначала щелочная вода, несущая золу и шлак, создает на стенках трубы корку - защитный слой гарниссажа. Потом этот слой (а не металл трубы!) сдирается кислой водой, несущей угольные отходы. И в трубе снова создают слой гарниссажа… Можно транспортировать один вид материала, достаточно периодически менять щелочную воду на подкисленную, чередовать'нарастание корки и ее сдирание. Это изобретение сейчас успешно применяется на ряде предприятий.

Итак, запомним: если число попыток усовершенствовать объект быстро растет, но вместо улучшения одно противоречие заменяется другим, надо объединить объект с другими объектами в новую техническую систему.

Такой переход не всегда удается сразу, нередко из отдельных элементов сначала получается неустойчивая переходная система. На схеме (приложение 2) формулы таких систем условно взяты в круглые скобки, а формулы устойчивых систем - в квадратные скобки.

Примером систем, переходных от первого уровня ко второму, могут служить неоднократно строившиеся в XIX веке подводные лодки с паровыми двигателями. Изобретателям казалось само собой разумеющимся, что надо применять самый совершенный двигатель. А таким двигателем тогда была паровая машина… Подбор элемента для включения в систему надо основывать не на совершенстве вообще (т. е. не на совокупности показателей), а на совершенстве главного для данной системы показателя. В подводной лодке таким показателем был запас энергии для подводного хода. В паровом котле не удавалось запасти сколько-нибудь* значительное количество пара и, следовательно, энергии. Несовершенный еще электродвигатель с тяжелыми батареями оказывался - по этому единственному показателю - более сильным. Система «подводная лодка и паровой двигатель» была неустойчивой; долгая жизнь ждала другую систему-«подводная лодка и электромотор с батареями».

Иногда недостающий элемент системы может быть заменен человеком. Первые самоходные экипажи имели паровые двигатели, и это делало их тяжелыми, громоздкими, неработоспособными. Устойчивой системой второго уровня оказался велосипед, в котором вес двигателя был равен нулю…

История техники знает множество неустойчивых систем, возникавших при переходе от второго уровня к третьему: весельный пароход, шагающий паровоз, оптический телеграф с машущими рычагами… Пытаясь заменить человека машиной (то есть перевести систему на третий уровень), изобретатели и по сей день нередко задерживаются на переходе 2-3: машина копирует действия человека, и это обусловлено не возможностями развития системы, а просто-напросто психологической инерцией. Порой такие изобретения по-своему изящны. Их общая беда - отсутствие существенных резервов для развития. Если прототипом оказывается такая система, почти всегда целесообразно не совершенствовать ее, а искать новый принцип действия.

Третий и четвертый уровни - наиболее типичные для современной техники. Молодые системы третьего уровня универсальны, зрелые - специализированы (уровень З1), старые - излишне специализированы. Узкая специализация- верный признак необходимости перехода на новый^ уровень, коренной перестройки всей системы.

Можно привести любопытный пример из стекольного производства. При изготовлении листового стекла раскаленная стеклянная лента поступает на валковый конвейер. Продвигаясь по этому конвейеру, она принимает требуемую форму и постепенно охлаждается. Понятно, что качество поверхности стекла зависит при этом от расстояния между валками. Если это расстояние велико, стеклянная лента будет прогибаться, станет волнистой. Чтобы получить гладкую поверхность, нужны валки возможно меньшего диаметра, тесно придвинутые друг к другу. Но такой конвейер будет сложным по устройству и капризным в эксплуатации. Мы снова встречаемся с четко выраженным техническим противоречием. Долгое время пытались обойти это противоречие, создавая специализированные линии для разных сортов стекла (есть сорта, которые не обязательно должны быть идеально плоскими) и оснащая заводы машинами, полирующими стекло после застывания. А потом было найдено поистине революционное решение.

Начнем мысленно уменьшать диаметр валка: санти-

метр, миллиметр, сотая доля миллиметра… Насколько же сложным должен быть конвейер с валками в сотую долю миллиметра! Вот вам психологический барьер: сотая доля миллиметра - страшно даже подумать, микрон или десятая доля микрона - совсем невообразимо… А если диаметр валка еще меньше? С молекулу или атом? Изготовить конвейер с валками диаметром в микрон практически невозможно. Но если диаметр валков соизмерим с диаметром атомов - все просто, потому что атомы не надо изготовлять. Пусть стекло катится по атомам, как по шарикам. Вместо конвейера - ванна расплавленного олова. Стеклянная лента движется по ровному слою атомов. И не надо строить конвейер, не надо регулировать и ремонтировать валки. Жидкий металл не только идеальный конвейер, но и послушный инструмент: с помощью электромагнитов поверхности металла (следовательно, и поверхности стекла) можно придать любую форму. Прекрасное изобретение! Оно сразу же породило «патентный пик». Уже выданы сотни патентов и авторских свидетельств на всевозможные стеклообра-батывающие ванны.

Поднявшись на четвертый уровень, технические системы бурно растут, и в какой-*го момент их рост впервые приводит к конфликту с внешней средой.

С древнейших времен техника формировалась, основываясь на том, что ей предоставляла природа. На нашей планете много воды и воздуха, поэтому техника наша насквозь «водная» и «воздушная»: вода и воздух были и остаются главнейшими технологическими инструментами. На нашей планете много кислорода -и техника наша «окислительная»: окислительные процессы были и остаются основой энергетики. На нашей планете много простора - и техника использовала и все еще использует открытые схемы: внешняя среда дает технической системе вещество и энергию, а техническая система выбрасывает во внешнюю среду отходы вещества и энергии, которые перерабатываются, уничтожаются внешней средой.

Природа была Универсальным Очистным Блоком, автоматически подсоединяемым к любой новой технической системе. Универсальный Очистный Блок обладал огромной, казалось, безграничной избыточной мощностью… И вот сейчас, когда все большее число технических систем приближается к потолку четвертого уровня, Универсальный Очистный Блок начинает работать на пределе, в износном режиме.

Конфликт между техникой и природой затрагивает глубочайшие, изначальные основы технической цивилизации. Чтобы преодолеть этот конфликт, нужно перейти от «водной» и «воздушной» техники к «безводной» ^н «безвоздушной», «от «кислородной» - к «бескислородной», от открытых технических систем - к закрытым. Этот переход неизбежен еще и потому,, что человек вышел в космос, я если бы даже техника на Земле прекрасно уживалась с природой, космические условия все равно потребовали бы технических систем, рассчитанных на внеземные условия. Основу будущей техники составят закрытые системы. Их «закрытость» будет достигнута не за счет присоединения фильтров к уже имеющимся системам, а коренным изменением основ технологии. Здесь лежат не тронутые еще пласты изобретательских тем. Здесь скрыты проблемы, решение которых потребует великих изобретений.