7-科学效应库方法

GZUMEETRIZ理论培训第七章科学效应库方法GZUMEE主要内容7.1效应的概述7.2科学效应及其作用7.3TRIZ理论中的科学效应7.4应用科学效应解决创新问题GZUMEE7.1效应的概述效应（Effect）——是各领域的定律，它使物体或系统实现某种功能的“能量”和“作用力”，涵盖了多科学领域的原理，包括：物理化学几何生物等GZUMEE7.1.1效应模型效应是对系统输入/输出间转换过程的描述，该过程由科学原理和系统属性支配，并伴有现象发生。每一个效应都有输入和输出，还可以通过辅助量来控制或调整其输出，可控制的效应模型扩展为三个接口（三级）效应输入输出效应控制两极效应模型三极效应模型GZUMEE一个效应可以有多个输入、输出或控制流效应效应效应效应效应效应效应效应每一种效应模型的输入流、输出流或控制流均不多于2个，其他情况可同理类推。GZUMEE7.1.2效应链依据效应，实现输入和输出的预期转换，其转换可以通过一个效应实现，也可以通过多个相互相容的效应联合应用，形成效应链。单一效应模型串联效应模型并联效应模型环形效应模型控制效应模型其效应的应用模型大致分为以下5种：GZUMEE单一效应模型:由一个效应直接实现例如：杠杆效应可以改变力（F）的大小或方向。𝑙1𝑙2F2F1效应长度𝑙力F1力F2GZUMEE串联效应模型:将多个效应按照顺序相继发生，前一个效应的输出，作为后一个效应的输入。效应1效应2例如：热传导效应可以改变物体温度，即实现行为：[T1]增加[T2]；当温度（T2）超过形状记忆材料的相变点温度（T0）时，形状记忆材料会恢复原状而产生形变（TF），形状记忆效应可以实现行为：[T2]产生[TF]（T2＞T0）；热传导效应和形状记忆效应可以联结起来构成串联效应模式实现行为。热传导效应形状记忆合金效应T1T2TFGZUMEE并联效应模型:由同时发生的多个效应共同实现。效应1效应2例如：电磁感应效应（E1）和流体效应（E2）与波义耳效应（E3）构成并联效应模式，将电磁感应效应输出的动能和流体效应输出的水结合产生液流实现行为电磁感应效应效应n效应n效应1效应2波义耳效应流体效应水水电能动能液流GZUMEE环形效应模型:由多个效应共同实现，后一效应的输出流的一部分或全部通过一定的方式返回到前一效应的输入端。例如：热传导效应与热力学第一效应构成环形效应模式，将热力学第一效应输出的水反馈到热传导效应的输入端实现行为。效应1效应2…热传导效应热力学第一效应蒸汽水热能动能水GZUMEE控制效应模型:由多个效应共同实现，其中一个或多个效应的输出流由其他效应的输出流控制，例如：弹性-塑性形变效应与形状记忆合金效应构成控制效应模式，将弹性-塑性形变效应的输出流联结到形状记忆合金效应的控制端实现行为。力长度效应2效应1形状记忆合金效应弹性-塑性形变效应温度形变GZUMEE7.1.3效应链的原则：邻接效应的输入流与输出流必须相容，以保证效应连接的可行性。另外，虽然在理论上组成效应链的效应数流可以任意确定，但为使设计的系统简化，组成效应链的效应数量应该尽可能的少。GZUMEE7.2科学效应及其作用由某种动因或原因所产生的一种特定的科学现象，称为“科学效应”。例如，由物理的或化学的作用所产生的效果，如光电效应、热效应、化学效应、法拉第效应等。每一个效应都可以用来解决某一类问题。光电效应法拉第效应GZUMEE例1：有一种弹簧，其尺寸和组成材料都是无法改变的。如何在不添加任何辅助结构（不向它添加任何补充弹簧等）的条件下提高弹簧的刚性？解决办法：使每圈弹簧磁化，让同极性挨着，这样在弹簧压缩时就会产生附加的推力。这就是一个典型的利用物理效应来解决技术问题的例子。GZUMEE阿奇舒勒在其《创造是精确的科学》一书中写道：不难发现，简单的综合方法（如分割、反转、组合等），在宏观水平上占优势。在微观水平上占优势的那些方法，差不多总是用到物理效应和现象。在微观水平上，方法都是物理学和化学方面的。因此，为发明家们提供关于物理学方法的系统资料就显得尤为重要，这可以大大提高他们将物理效应和现象用于发明的可能性。在较好的发明中，在两个“结合起来的”效应之间，起联系作用的元素总是场，而不是物质。在发明问题和解决它们所需的物理效应之间，存在着可靠的媒介，这就是物-场分析。GZUMEE在物场分析中，我们将两个对象之间的作用定义为“场”，并用“场”这个概念来描述存在于这两个对象之间的能量流。如果从时间轴上对两个对象之间的作用进行分析，我们也可以将存在于两个对象之间的这种作用看作是两个技术过程之间的“纽带”。例2：压电打火机的点火过程压电打火机是利用压电陶瓷的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，将压力施加到压电陶瓷上，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。GZUMEE如果将手指压按钮的动作看成是一个技术过程，将气体燃烧看成是另一个技术过程。那么，将这两个技术过程连接起来的纽带就是压电效应。在这个技术系统中，压电陶瓷的功能就是利用压电效应将机械能转换成电能。GZUMEE例3：双金属片温度计双金属片温度计是利用热膨胀效应制成的。通常，接入电路上的温度控制开关是由双金属片制成，双金属片是将膨胀系数差别比较大的两种金属焊接焊接一起，一端固定，一端自由。当温度升高，膨胀系数大的金属片的伸长量大，致使整个双金属片向膨胀系数小的金属片的一面弯曲。温度高，弯曲程度越大，从而利用双金属片的弯曲程度指示温度。刻度盘双金属片固定的一端指针GZUMEE随着技术过程的实施，技术系统的某些参数（例如，压力、温度、速度、加速度等）会发生改变，即参数在数值上的变化就是技术过程得以实施的具体体现。因此，我们可以用这些参数来描述技术系统的变化。除了某些最简单的技术系统以外，绝大多数技术系统往往都包含了多个效应。以实现技术系统的功能为最终目标，将一系列依次发生的效应组合起来，就构成了效应链，如图所示。效应1效应2输入1输出1输入2输出2GZUMEE在解决工程技术问题的过程中，各种各样的物理效应、化学效应或几何效应以及这些效应不为人知的某些方面，对于问题的求解往往具有不可估量的作用。一个普通的工程师通常知道大约100个效应和现象，但是科学文献中却记录了大约10000种效应。每种效应都可能是求解某一类问题的关键。研究表明，通常工程技术人员掌握并应用的效应是相当有限的。例如，爱迪生在他的1023项专利中就只用了23个效应。GZUMEE7.3TRIZ理论中的科学效应TRIZ理论中，按照“从技术目标到实现方法”的方式来组织效应库，发明者可根据TRIZ的分析工具决定需要实现的“技术目标”，然后选择需要的“实现方法”，即相应的科学效应。TRIZ的效应库的组织结构，便于发明者对效应应用。GZUMEE基于对世界专利库的大量专利的分析，TRIZ理论总结了大量的物理、化学和几何效应，每一个效应都可能用来解决某一类问题。为了帮助工程师们利用这些科学原理和效应来解决工程技术问题，在阿奇舒勒的提议下，TRIZ研究者共同开发了效应数据库，其目的就是为了将那些在工程技术领域中常常用到的功能和特性，与人类已经发现的科学原理或效应所能够提供的功能和特性对应起来，以方便工程师们进行检索。解决高难度问题常见的30种功能，如下表7-1所示。GZUMEE表7-1功能代码表GZUMEE依据表7-1提供的功能代码，可以在表7-2中查找TRIZ所推荐的此功能下的各种可用科学效应和现象。表7-2列举出了技术创新中的30种功能及其对应的100个科学效应和现象（限于篇幅，以电子稿形式提供），可以利用它来解决技术创新中遇到的问题。GZUMEE功能代码实现的功能TRIZ推荐的科学效应和现象科学效应和现象代号F1测量温度热膨胀热双金属片泊尔帖效应汤姆孙效应热电现象热电子发射G75G76G67G80G71G72F2降低温度一级相变二级相变G94G36F3提高温度电磁感应电介质G24G26表9-2科学效应和现象………………GZUMEE7.4应用科学效应解决创新问题当我们设计一个新技术系统时，为了将两个技术过程连接在一起，就需要找到一个“纽带”。虽然我们清楚地知道这个“纽带”应该具备什么样的功能，但是却不知道这个“纽带”到底应该是什么。此时，我们就可以到科学效应库中，利用“纽带”所应该具备的功能来查找相应的科学效应。当我们对现有技术系统进行改造时，往往会希望将那些不能满足要求的组件替换掉。此时，由于该组件的功能是明确的，所以我们可以将该组件所承担的功能作为目标，到科学效应库中查找相应的科学效应。GZUMEE应用科学效应解决问题的一般步骤是：No.1首先根据问题的实际情况，定义出解决此问题所需要的功能。No.2根据功能从表7-1中确定与此功能相对应的代码，即F1~F30中的一个。No.3从效应表（科学效应表或学科效应表）中查找此功能代码，得到TRIZ所推荐的科学效应。No.4对TRIZ推荐的多个科学效应逐一进行筛选，找到适合本问题的科学效应。No.5查找该科学效应的详细解释，并应用于问题的解决，形成解决方案。GZUMEE例1电灯泡厂的厂长将厂里的工程师召集起来开了个会，他让工程师们看一叠顾客的批评信，顾客对灯泡质量非常不满意。（1）问题分析：经过分析，工程师们觉得灯泡里的压力有些问题。压力有时比正常的高，有时比正常的低。（2）确定功能：准确测量灯泡内部气体的压力。GZUMEE（4）效应取舍：经过对以上效应逐一分析，只有“电晕”的出现依赖于气体成分和导体周围的气压，所以电晕放电能够适合测量灯泡内部气体的压力。（3）TRIZ推荐的可以测量压力的物理效应和现象：机械振动、压电效应、驻极体、电晕放电、韦森堡效应等。（5）方案验证：如果灯泡灯口加上额定高电压，气体达到额定压力就会产生电晕放电。（6）最终解决方案：用电晕放电效应测量灯泡内部气体的压力。GZUMEE例2在北方的冬季，输电线出现结冰现象。（1）问题分析：北方冬季寒冷，输电线结冰带来严重后果，必须及时清除电线上的冰雪。（2）确定功能：电线除冰，可以提高温度，使冰融化。GZUMEE（4）效应取舍：经过逐一分析，采用电磁感应效应，在每隔一段距离电线安上一个铁磁体环，由电磁感应产生电流而产生热，从而加热电线，溶解冰雪。（3）查找效应：能提高温度的效应：传导；对流；电磁感应；热电介质；热电子；材料吸收辐射；物体的压缩等（5）最终解决方案：用电磁感应效应溶解电线上的冰雪。由于铁磁体环常年为电线加热，需结合铁磁性材料的居里点，低于0°时通电，高于0°时断电，以减少不必要的能源浪费。GZUMEE例3街上的噪声,街上交通不间断的、单调的噪声使人疲乏而且会打断工作，普通的百叶窗在一定程度上减少了噪声，但单调的声音没有变化，这一单调的声音来自交通流引起的声音振动频率的不间断波谱。GZUMEE查阅物理效应表的第24条：创造给定的结构，稳定对象的结构，选择机械与声音振动。物理学告诉我们，有一种频率过滤器可以改变复杂震动过程（包括声学上的振动）的频谱结构，这些过滤器是中介或变换工具，过滤或减弱特定的频率的同时让其他频率通过。英国开发的一个解决方法是用具有不同大小细孔的百叶窗，对声学震动的机械过滤达到了理想效果，使过滤后传入的声音类似于沙滩上的频谱，这些声音不再引起疲劳、分散注意力等。GZUMEE例4剪玫瑰花的最佳时间是在其花苞期吗？为保持玫瑰从剪下到出售前的时间最大化，玫瑰花在还是花苞的时候就被剪了下来。这可以为我们提供繁盛的玫瑰花。但如何能保证花苞变成花朵呢？GZUMEE查找化学效应表：第22条“空间中物质的状态和性能控制”（特别是使用光反应材料或显示器）与第23条“物质空间性能的改变（高浓度）”。需要初步调查来搞清楚问题，我们需要一个显示器、一种材料或一块地为在正确时间剪玫瑰提供可靠的帮助，类似的验证结果谁都知道，淀粉与碘反应产生了蓝色，而淀粉是植物碳水化合物的基础资源，可以用剪下的玫瑰花苞与碘做颜色反应测试。应用医学解决方法，荷兰的瓦吉宁根