第3章-triz发明技术系统进化及其模式分析

11第3章技术系统进化及其模式分析23.1技术系统和产品进化简介3.2技术系统进化模式3.2.1模式一技术系统的生命周期3.2.2模式二增加理想化水平3.2.3模式三系统不均衡发展导致矛盾出现3.2.4模式四增加动态性和可控性3.2.5模式五技术集成以增加系统功能3.2.6模式六系统元件的匹配与不匹配3.2.7模式七系统由宏观向微观进化3.2.8模式八提高自动化程度和智能化程度3.3技术系统进化综合运用2第3章技术系统进化及其模式分析3任何领域产品都与生物一样，存在着产生、生长、成熟、衰老和灭亡的进化规律。掌握了这些规律，人们就能能动地进行产品的设计开发，有目的地制定技术改进和创新方向，预测产品当前和未来的地位趋势。TRIZ法进化理论把技术的进化分为新发明、技术进步和技术成熟三个阶段，并将产品分为婴儿期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段。技术系统进化有其自身固有的模式，并总结归纳出技术系统进化八大模式。33.1技术系统和产品进化简介技术成熟度时间发明技术进步成熟4模式一技术系统的生命周期模式二增加理想化水平模式三系统不均衡发展导致矛盾出现模式四增加动态性和可控性模式五技术集成以增加系统功能模式六系统元件的匹配与不匹配模式七系统由宏观向微观进化模式八提高自动化程度和智能化程度43.2技术系统进化模式5需强调关键技术与核心技术的区别。在现有的产品S曲线的基础上，如果对产品中的关键技术作改进和创新，会形成新一轮的S曲线，多次关键技术创新会形成多个S曲线，形成在同一核心技术支持下的所谓S曲线族。（轮轨技术——高铁技术）但一旦核心技术发生变化，就应该形成新的产品，形成新的S曲线，并依靠相应的自有的关键技术的进步，形成新的S曲线族。（磁悬浮技术）5模式一技术系统的生命周期飞机：螺旋桨——喷气，核心技术不同，S曲线不同；核心技术突破可造成崭新的产品，但风险大，有较长的商业历程。关键技术的突破是对现有产品的重大改进。61.理想化与理想解2.理想化程度评价3.理想化法则4.理想化设计案例6模式二增加理想化水平71.理想化定义：一个技术系统，从某一起点向最终结果进化，是一个逐步理想化过程。2.理想化目标：发明创新的理想状态是理想解的实现，尽可能地使产品接近于理想解是产品创新的指导思想。3.理想化特点：是对客观世界中所存在物体的一种抽象，这种抽象在客观世界并不存在，又不能通过实验验证。理想化是真实物体存在的一种极限状态，只能够无限的接近但是不能达到。理想状态的设想可以帮助去除其他繁杂的干扰因素，从而更加专注到矛盾和发展本身，有利于解决方案的快速寻求。例如物理学中的理想气体，几何学中的点与线，材料学的理想晶体结构等。理想实验：宇宙有边界吗？惯性定律（斜面、平面）7理想化与理想解8理想化分为局部理想化和全局理想化两类。1.局部理想化是指对于选定的原理，通过不同的实现方法使其理想化。如用太阳光来加热容器中的水，就成为太阳能热水器。但在这一原理下，人们采取了多种不同的关键技术，如加热面镀膜，光能可进不可出等，造就了市场上数十种不同的产品，并不断进化。2.全局理想化是指对同一功能，通过选择不同的原理使之理想化。如太阳能的利用可有多种途径：奥林匹克比赛圣火用透镜聚焦方式，把光线聚焦到一个点上，光的高能量使物质燃烧，光能转化为化学能。随着现代科技发展，出现了光伏电池，把太阳光能转变为电能。8理想化分类9局部理想化全局理想化加强通过参数优化、采用更高级的材料、引入附加调节装置等加强有用功能的作用。（钢化玻璃）降低通过对有害功能的补偿，减少或消除损失和浪费，采用更加便宜的材料、标准零部件等。（稳压器）通用化采用多功能技术增加有用功能的个数。（多功能打印机）专业化突出功能的主次。（配件生产）取消子功能在不影响主要功能的前提下，去掉中性的及辅助的功能。（去掉火车车窗）取消子系统如果采用某种可用资源后可省掉辅助子系统，可降低系统成本。（建筑物支柱、免充气轮胎）改变原理改变已有系统的工作原理，可简化系统或使过程更为简便。（阴极射线显示器-等离子体——液晶——LED）9局部理想化与全局理想化比较10理想化是追求理想解的过程。理想解的特点①消除原有系统的缺点②保留并发展原有系统的优点③不导致系统的复杂化④不导入新的缺点有害功能有用功能）＝理想化（Ideality10理想化程度评价（理想化公式）11理想化过程是有规律的，是有一定的法则可以参考的。常用的理想化法则有：法则1：去除辅助功能（金属板油漆采用溶剂溶解型涂料，挥发气体有害，去掉，采用粉末加热融化，粘结）法则2：去除一些元件（去掉登月计划照明灯玻璃外壳）法则3：识别自服务（带印戳的手套给鸡蛋打编号、找理想热膨胀系数为0的材料——两种材料（正负抵消）法则4：替换零部件（采用钢质刀杆的机械夹持式硬质合金刀具（易脆）法则5：改变操作原理（不倒翁电熨斗）法则6：利用资源（煤渣做砖）11理想化法则12理想化实现的四个步骤：第一步：描述需要改进的专门技术系统的现有性能；第二步：描述某个性能的理想化设想；第三步：根据个人经验和理想化设想从上述已抽象出来的六种理想化法则中选定几种法则；第四步：把第三步选定的法则具体化到专门具体的技术系统，并根据本文已叙述的理想化的四个特性来判定其解的有效性。12理想化设计案例13理想化目标：人的重心高过横梁的量越小越好。采用理想化法则5：改变操作原理发明了跨越式、剪式、滚式、俯卧式和背越式等不同的跳高姿势，人的重心逐渐靠近横杆，获得的高度是不一样的，如图所示：13案例一跳高运动的理想化没有新的方法跳得更高，应考虑其他理想化法则14背景：有梭织机结构简单、造价便宜，但梭子的运动耗能太大，能占到整台织机能量消耗的60%。理想化目标：织机引纬理想化的目标是尽可能降低梭子的质量，甚至不要梭子。理想化进步：理想化法则（4）“替换零部件”的方法，首先出现了剑杆或片梭代替传统梭子，大大降低了质量。理想化法则（2）“去掉一些元件”的方法，进而摈弃了梭子，发明了喷气和喷水引纬技术，利用气流和水流携带纬纱通过整个布面，不仅节省了能量、减少了噪声，还大大提高了入纬率。如喷水织机入纬率可高达1300m/min，而有梭织机最高也仅能达到600m/min。14案例二织机引纬工作的理想化15背景：电子具有电荷特性同时具有自旋特性。电荷特性用于电信号的传输和能量的传递，自旋特性用于存储材料的制备等等。但是两个特性的综合运用很晚才出现。方法：科研工作者运用理想化方法，首先假设材料达到理想状态，即材料中杂质不予考虑，材料性能稳定，周围环境完全理想状态。根据理想状态的条件研究发现，由于其独特的电子自旋和电荷效应的同时运用，电阻率可以随着外磁场的变化产生很大的变化，具有巨磁阻效应。与非铁磁材料结合，能够制备很多开创性的电子元器件。15案例三巨磁材料的发现与运用16电视机的进化电视机经历了从黑白到彩色，从电子管、晶体管电视迅速发展到集成电路电视的过程，目前，电视正在向智能化、数字化和多用途化迈进。例如，网络电视功能可以实现电视机与互联网直接链接，用遥控器上网浏览和欣赏网络电视、网络图片以及互联网信息。内置的无线功能可以将用户计算机通过无线连接，从电视上调阅计算机资料和播放多媒体。17汽车的轮胎传统的汽车轮胎在外胎的里面还有一个充有压缩空气的内胎。这种轮胎的特点是行驶温度高，不适应高速行驶，使用时内胎在轮胎中处于伸张状态，略受穿刺便形成小孔，使得轮胎迅速降压，因而不能充分保证行驶的安全性。为了弥补这些缺陷，当前汽车轮胎的内外胎合并成一个系统，轮胎不再使用内胎，空气直接充入外胎内腔。这样消除了内外胎之间的摩擦，并使热量直接从轮辋散出，比普通轮胎降温20％以上。无内胎轮胎提高了行驶安全性，在穿孔较小时能够继续行驶，中途修理比有内胎轮胎容易，无须拆卸轮辋，而且因为有较好的柔软性，所以可改善轮胎的缓冲性能，提高轮胎的使用寿命。18所谓子系统的不均衡进化法则是指任何技术系统的子系统进化都是不均衡的。一个完整的系统包括动力装置、传输装置、执行装置和控制装置四部分组成。如果，改进某一特定参数，必然使得这一参数所从属的子系统完美化，故其进化比其他子系统要迅速。子系统进化对其他子系统具有直接或间接的影响，不理想的子系统不能全面满足对系统日益改善的要求，因而导致矛盾。掌握了子系统的不均衡进化法则，可以帮助我们及时发现并改进系统中最不理想的子系统，从而提升整个系统的进化阶段。比如，计算机、汽车的发展、更新和换代恰恰是由于某些零部件技术的不均衡发展引起的。18模式三系统不均衡发展导致矛盾出现19缺少任何一个部分，系统就不能成为一个完整的系统；如果系统中任一部分失效，整个技术系统就无法“幸存”，任何一个部分的薄弱环节都将使整个系统性能的提高受到限制。系统均衡发展，有助于确定更好发挥系统功能的改进方向，从而少走弯路节约时间和资源。同时利用它可以对冗杂的系统进行简化。在经济学中有短板理论。指出木桶的装载量由其最短的一块木板决定。这两种理论有异曲同工之妙。如：自行车运动系统由动力装置——脚蹬、传动装置——车链及轴承、执行装置——车轮和控制系统——骑车人握车把的手组成，若掉链、车胎爆了19模式三系统不均衡发展导致矛盾出现2020模式四增加动态性和可控性技术系统的进化应该朝着结构柔性、可移动性、可控性增加的方向发展，以适应环境状态或执行方式的变化，提高技术系统性能以适应不断变化的环境和满足多重需求。动态性和可控性进化法则主要是指提高系统的动态性，以更大的柔性和可移动性来获得功能的实现，提高系统的动态性则要求增加可控性。增加系统的动态性和可控性的路径很多，主要从以下4个方面进行阐述。211.提高结构柔性刚体——单铰链——多铰链——柔性体——液体、气体——场21模式四增加动态性和可控性提高系统柔性的进化过程人们避暑降温：蒲扇（刚体）——折叠扇（单铰链、便于携带）——电风扇摆脱人工（多铰链）——空调（场）22切割技术的进化进化路径：刀→剪刀→钢筋钳→线切割机床→水切割→激光切割。切割技术的进化过程23传动系统的进化进化路径：连杆传动→链传动→带传动→液压传动→磁场传动。242.提高可移动性技术系统的进化应该沿着提高系统整体可移动性的方向发展。本路径反映了下面的技术进化过程：固定的系统→可移动的系统→随意移动的系统。在日常生活中，有很多这样的实例。如板凳——转椅——滚轮椅。如固定式民居——车载式民居——房车24模式四增加动态性和可控性清扫工具的进化进化路径：扫帚→吸尘器→清扫机器人。253.提高可控性通过可控性增加，系统能够向着更易操作，更智能的方向发展。技术系统的进化将沿着系统内各部件的可控性增加的方向发展。本路径的技术进化过程：无控制的系统→直接控制→间接控制→反馈控制→自我调节控制的系统。车床进化进化过程：手动车床→机械半自动车床→数控车床→车削中心。25模式四增加动态性和可控性路灯的进化：直接控制：开关间接控制：总闸反馈控制：感应光条件控制：红外线远距离控制：网络技术264、提高稳定度本路径的技术进化过程：静态固定的系统→有多个固定状态的系统→动态固定系统→多变系统。27增加集成度再进行简化规则是指技术系统首先趋向于集成度增加的方向，紧接着再进行简化的进程。通常先集成系统功能的数量和质量，然后用性能更好、更简单的系统来替代先前的集成系统。如：双体船可增加稳定性组合音响将收音机、磁带机、VCD集成为一个多功能系统。电子芯片上元器件的集成大大提高了运算存储功能材料科学中的自旋器件集成，将单位面积的信息存储能力从几GB扩充到几百GB。27模式五技术集成以增加系统功能28(1)增加集成度的路径增加集成度的路径经历了以下阶段：创建功能中心→附加或辅助子系统加入→通过分割、向超系统转化或向复杂系统的转化来加强