При
морфологическом анализе,предложенном швейцарским астрофизиком Цвикки, сначала выделяют оси - главные характеристики объекта, а затем по каждой оси записывают элементы - всевозможные варианты. Например, рассматривая проблему запуска автомобильного двигателя в зимних условиях, можно взять в качестве осей источники энергии для подогрева, способы передачи энергии от источника к двигателю, способы управления этой передачей и т. д. А элементами для оси «источники энергии» могут быть: аккумулятор, химический генератор тепла, бензогорелка, работающий двигатель другой машины, горячая вода, пар и т. д. Имея запись элементов по всем осям и комбинируя сочетания разных элементов, можно получить очень большое число всевозможных вариантов. В поле зрения при этом могут попасть и неожиданные сочетания, которые едва ли пришли бы на ум «просто так».
По методу контрольных вопросов, как показывает само название, поиск направляется списками наводящих вопросов. Такие списки предлагались разными авторами. Типичные вопросы: а если сделать наоборот? А если заменить эту задачу другой? А если изменить форму объекта? А если взять другой материал?
Наиболее сильный метод активизации поиска - синектика,предложенная У. Гордоном. Он в 1960 г. создал в США фирму «Синектикс». В основу синектики положен мозговой штурм, но этот штурм ведет профессиональная или полупрофессиональная группа, которая от штурма к штурму накапливает опыт решения задач. При синектическом штурме допустимы элементы критики и, главное, предусмотрено обязательное использование четырех специальных приемов, основанных на аналогии: прямой (как решаются задачи, похожие на данную?), личной (попробуйте войти в образ данного в задаче объекта и попытайтесь рассуждать с этой точки зрения), символической (дайте в двух словах образное определение сути задачи), фантастической (как эту задачу решили бы сказочные персонажи?).
Фирма «Синектикс» сотрудничает с крупнейшими промышленными фирмами, корпорациями и высшими учебными заведениями, обучая синектическому штурму инженеров и студентов.
Главное достоинство методов активизации поиска - простота, доступность. Такие методы, как мозговой штурм, могут быть освоены после одного - двух занятий. Обучение синектике обычно длится всего несколько недель.
Методы активизации поиска универсальны, их можно применять для решения любых задач - научных, технических, организационных и др.
Принципиальный недостаток этих методов - непригодность при решении достаточно трудных задач. Штурм (простой или синектический) дает на порядок больше идей, чем обычный метод проб и ошибок. Но этого мало, если «цена» задачи 10 000 или 100 000 проб.
Методы активизации поиска сохраняют (в несколько улучшенном виде) старую тактику перебора вариантов. Эти методы не развиваются, а попытки их комбинирования не дают существенно нового результата. Поэтому в Советском Союзе методы активизации поиска не нашли широкого применения.
УРОВНИ ЗАДАЧ
Попробуйте задать вопрос: «Как надо охотиться?» - и вас сразу попросят уточнить, на кого именно охотиться. Микробы, комары, киты - живые существа, на них можно охотиться. Но охота на микробов, комаров, китов - три качественно отличающихся вида охоты. Никто не изучает эти три вида охоты «вообще». В изобретательстве же долгое время изучали творчество «вообще», а выводы по «микробным» изобретениям распространяли на изобретения «китовые», и наоборот.
Научный подход к изучению изобретательского творчества начинается с понимания простой истины: задачи бывают разные, нельзя изучать их «вообще». Есть очень легкие задачи, их решают после нескольких попыток, и есть задачи невообразимой трудности, которые решаются в течение многих лет. Почему легки легкие задачи? Почему трудны трудные задачи? Что именно делает задачу трудной? Нельзя ли какими-то приемами преобразовать трудную задачу в легкую?..
Рассмотрим эти вопросы, но сначала уточним понятия «легкая» и «трудная» задача.
По степени трудности задачи можно разделить на пять уровней (классов). Для самых легких задач (первый уровень) характерно применение средств (устройств, способов, веществ), которые прямо предназначены именно для данной цели. Вот пример задачи первого уровня.
Задача 1
Имеется печь, в которой находится расплавленный металл. В центральную зону печи подведен трубопровод для жидкого кислорода. Что нужно сделать, чтобы кислород, идущий по этой трубе, не газифицировался вплоть до выхода в металл?
Ответ очевиден: нужна теплоизоляция, а если она уже есть, нужно ее усилить - сделать более толстой, ввести двойные стенки, использовать принудительное охлаждение и т. д. Именно так и была решена эта задача: «Устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл, выполненное в виде четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной 15-20 мм» (авторское свиидетельство - а.с.№317707).
Надо бороться с теплом - и вот введен слой теплоизоляции. Его толщина не 1,5-2 мм, этого было бы явно мало, и не 1,5-2 м, труба с таким защитным слоем просто не поместилась бы в печи, а 15-20 мм, как и следовало ожидать. Решение предельно очевидное. Многочисленные эксперименты с задачей показали, что ее с нескольких попыток решают все - научные работники, конструкторы, студенты, учащиеся ПТУ, школьники.- Любопытно отметить, что а.с. № 317707 выдано десяти авторам...
Это типичная задача, решенная на первом уровне; в принципе одна и та же задача может быть решена на разных уровнях.
В каждом выпуске бюллетеня «Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки» около 30 % изобретений - решение подобных задач. В данном случае поиск решения практически сведен к нулю. Технология изобретательского творчества на этом уровне не нуждается в усовершенствовании.
Предположим, дана задача: «Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги «забивает» менее яркие детали (капли металла и т. д.). Как быть?» В такой формулировке задача без труда решается на первом уровне: надо осветить зону сварки лучом, более ярким, чем дуга. Теперь усложним задачу, введя дополнительные требования.
Задача 2
Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги «забивает» менее яркие детали (капли металла и т. д.). Надо улучшить условия наблюдения без существенного усложнения аппаратуры и снижения производительности.
Новая задача сложнее, поэтому придется перебрать несколько десятков вариантов. Отпадут, например, все предложения, связанные с введением дополнительных светильников для освещения зоны сварки,- они значительно усложнят оборудование. Не подойдут и предложения, требующие периодического отключения дуги,- они связаны со снижением производительности. Наиболее простое решение, удовлетворяющее условиям задачи, выглядит так: «Устройство для защиты глаз и лица электросварщика. содержащее корпус и рамку с встроенным в нее светофильтром, отличающееся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фокусирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зону расплавления» (а. с. № 252549).
В задачах первого уровня объект (устройство или способ) не изменяется(усилили уже имеющуюся теплоизоляцию). На втором уровне объект изменяется, но несильно(в защитное устройство дополнительно введено зеркало). На третьем уровне объект изменяется сильно,на четвертом он меняется полностью,а на пятом меняется вся техническая система,в которую входит объект.
Пример изобретения третьего уровня: «Винтовая пара, состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения трения между ними во время работы винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта» (а. с. № 154 459). Винтовая пара осталась, но она сильно изменена по сравнению с прототипом.
Примером изобретения четвертого уровня может служить новый способ контроля износа двигателя. Раньше контроль износа вели, время от времени отбирая пробы масла и определяя содержание в них металлических частиц. По а.с. № 260 249 предложено добавлять в масло люминофоры и по изменению свечения (мелкие частицы металла гасят свечение) непрерывно контролировать концентрацию частиц металла. Исходный способ изменен полностью. Использованный физический эффект менее известен, чем в предыдущем изобретении. Найденная идея шире запатентованного способа контроля износа: по гашению люминесценции можно контролировать появление металлических частиц и в других случаях.
Изобретение пятого уровня: «Применение монокристаллов сплавов медь-алюминий-никель и медь-алюминий-марганец в качестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры» (а. с. № 412 397). Вообще то известно, что твердые тела меняют свои свойства при изменении температуры. Но веществ, которые сильно меняют свойства при небольших перепадах температур, мы знаем мало. Обнаружение или получение таких веществ - это уже нечто граничащее с открытием. Новые вещества - преобразователи можно использовать при решении самых различных изобретательских задач (создание тепловых двигателей, различных измерительных приборов и т. д.).
Решение задачи первого уровня требует перебора нескольких очевидных вариантов. Это доступно каждому инженеру, и подобные задачи повседневно решаются без затруднений, хотя и не всегда оформляются в виде заявок на изобретения. На втором уровне число вариантов измеряется уже десятками. Перебрать 50-70 вариантов в принципе способен каждый инженер. Но все-таки здесь требуется определенное терпение, настойчивость, уверенность в возможности решения задачи. Иногда человек выдыхается после десяти попыток. Правильное решение задач третьего уровня прячется среди сотен неправильных. На четвертом уровне нужно сделать тысячи и десятки тысяч проб и ошибок, чтобы отыскать решение задачи. Наконец, на пятом уровне число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов. Можно вспомнить, например, что Эдисону пришлось поставить 50 000 опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор. Речь идет только о вещественных опытах; мысленных экспериментов, всевозможных «а если сделать так?» наверняка было значительно больше. Вот пример учебной задачи четвертого уровня.
Задача 3
Кривые стволы и сучья деревьев разрубают им щепу. Получается смесь кусков коры и щепы древесины. Как отделить куски коры от щепы древесины, если они очень мало отличаются по плотности и другим характеристикам?
По этой задаче есть множество патентов, выданных в различных странах: изобретатели упорно (и безуспешно) пытаются отделять куски коры от щепы древесины, используя ничтожную разницу в плотности. В экспериментах с этой задачей число проб иногда измерялось сотнями, однако никому не удавалось преодолеть психологические барьеры и пойти в принципиально новом и, главное, верном направлении.
Может возникнуть вопрос: если все-таки делаются изобретения высших уровней, значит, как-то удается перебрать сотни и тысячи вариантов?
Тут действует очень интересный «эстафетный» механизм. Появилась задача «ценой» в 1100000 проб. Кто-то потратил полжизни на перебор 10000 проб и не нашел решения. Задачу взялся решать другой человек, он перекопал еще какую-то часть поискового поля, и так далее. Задача приобретает репутацию неразрешимой, «вековечной». На самом же деле она постепенно упрощается и в конце концов решается. Здесь и появляются исследователи, пытающиеся выяснить, в чем секрет изобретателя, решившего «вековечную» задачу. Никакого секрета нет. Неудачники, штурмовавшие задачу в начале «эстафеты», могли быть даже более способными, чем тот, кто «пробежал» последний этап. Просто им досталось слишком большое поисковое поле. В сущности, задачу решал не один человек, а целый коллектив, «кооперация современников», по определению Маркса. Для очень трудных задач необходима даже кооперация изобретателей нескольких поколений. Их усилия постепенно превращают задачу пятого уровня в сравнительно простую задачу первого уровня, кто-то делает последний рывок тем же методом проб и ошибок.
Есть другой способ, который можно назвать «задача сама ищет своего решателя». Сложная задача трудна потому, что она относится к одной области, а для ее решения нужны знания совсем из другой области. Когда в 1898 г. Крукс поставил задачу связывания атмосферного азота, о ней благодаря научному авторитету Крукса стало известно очень многим ученым. Норвежский специалист по полярным сияниям Биркеланд предложил использовать процессы, подобные происходящим в верхней атмосфере. Задача «отыскала» человека, чьи специальные знания были необходимы для ее решения.
Задачи высших уровней отличаются от задач низших уровней не только числом проб, необходимых для обнаружения решения. Существует и качественная разница. Задачи первого уровня и средства их решения находятся в пределах одной узкой специальности (задача по усовершенствованию производства древесно-стружечных плит решается методами, уже использовавшимися в этом производстве). Задачи второго уровня и средства их решения относятся к одной отрасли техники (задача о древесно-стружечных плитах решается методами, известными в деревообработке). Для задач третьего уровня решения приходится искать в других отраслях (задача в деревообработке решается методами, известными в металлообработке). Решение задач четвертого уровня надо искать не в технике, а в науке - обычно среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений. На высших подуровнях задач пятого уровня средства решения могут вообще оказаться за пределами современной науки; поэтому сначала нужно сделать открытие, а потом, опираясь на новые научные данные, решать изобретательскую задачу.
На первом и втором уровнях можно перебирать варианты, пользуясь знаниями только по всей специальности. Чем выше уровень, тем более широкие знания нужны. Коллектив хороших специалистов легко делает изобретения первого и второго уровней. Такие изобретения совершенствуют технику. Но принципиально новые решения скорее можно ожидать от людей «со стороны». Вот, например, а. с. № 210 662: «Индукционный электромагнитный насос, содержащий корпус, индуктор и канал, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью упрощения запуска насоса индуктор выполнен скользящим вдоль оси канала насоса». Это изобретение сделано специалистами: никакой революции, но вполне полезное улучшение. Экспертиза легко приняла новую идею - от заявки до публикации прошло 14 месяцев. А журналист А. Пресняков 14 лет добивался свидетельства (№ 247 064): «Применение электромагнитного насоса для перекачки электролитов в качестве реактивного судового двигателя». В основе этого изобретения - магнитогидравлический эффект. Идея была выдвинута, когда о магнитогидравлических двигателях, получивших теперь такую известность, никто практически не знал.
Еще один пример. Четверо слушателей общественного института изобретательского творчества взяли для дипломной работы сложнейшую задачу из области аэронавигации. Над этой задачей работали во многих странах. Трое студентов и один молодой инженер не были специалистами в данной области. Расчет строился на том, что сильное решение должно оказаться за пределами обычных идей и принципов навигационного приборостроения. Так и получилось. Нужный принцип нашелся в весьма далекой от авиации области аналитических измерений в кондитерской технике. Изобретение получило положительную оценку специалистов, было выдано авторское свидетельство.
Научно-техническая революция требует, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Обычный путь интенсификации процесса решения состоит в увеличении числа людей, одновременно работающих над одной проблемой. Но возможности такой интенсификации почти исчерпаны: сосредоточение большого числа людей на решении одной технической проблемы ведет к уменьшению интенсивности работы на других направлениях.
Нужен способ перевода изобретательских задач с высших уровней на низшие. Если задачу четвертого или пятого уровня удастся перевести на первый или второй уровень, далее сработает обычный перебор вариантов. Вся проблема в том, чтобы уметь быстро сужать поисковое поле, превращая «трудную» задачу в «легкую».
Сравним два изобретения. Первое: «Способ определения параметров, недоступных прямому наблюдению (например, износостойкости), основанный на косвенном контроле, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью повышения точности определения искомых параметров по результатам косвенного контроля подбирают изделия в пары (серии) по принципу близости измеренных параметров в одном образце от каждой пары (серии), определяют искомый параметр, разрушая изделие, и распространяют полученный результат на оставшиеся изделия этой пары (серии)» (а. с. № 188 097). Чтобы проверить изделия, предлагается весьма простое решение: сломать половину изделий и посмотреть... Правда, тут возникает противоречие: чем большую часть изделий мы сломаем, тем надежнее сможем судить об оставшихся.
Второе изобретение: «Способ контроля и дефектоскопии однотипных изделий, имеющих скрытые дефекты, например, в виде пустот или инородных включений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью упрощения процесса контроля изделие помещают в ванну с электропроводной жидкостью, пропускают через нее электрический ток, а затем воздействуют на жидкость магнитным полем для изменения ее кажущейся плотности до достижения безразличного положения в ней исправных изделий, и наличие дефектов определяют по изменению положения относительно дна ванны» (а. с. № 286 318). Очень похожая задача, но в решении нет противоречия - испытания проводят, не ломая изделий. Использован оригинальный прием: с помощью взаимодействия электрического и магнитного полей жидкость заставляют как бы менять свою плотность, отчего помещенное в жидкость изделие тонет или всплывает (в зависимости от наличия или отсутствия дефектов).
Изобретательские задачи часто путают с задачами техническими, инженерными, конструкторскими. Построить обычный дом, имея готовые чертежи и расчеты, - задача техническая. Рассчитать обычный мост, пользуясь готовыми формулами, - задача инженерная. Спроектировать удобный и дешевый автобус, найдя компромисс между «удобно» и «дешево», - задача конструкторская. При решении этих задач не приходится преодолевать противоречия. Задача становится изобретательской только в том случае, если для ее решения необходимо преодолеть противоречие.
Не сталкиваемся мы с противоречиями и при решении задач первого уровня. Строго говоря, это задачи конструкторские, а не изобретательские. Юридическое понимание термина «изобретение» не совпадает с пониманием так сказать, техническим, творческим. По-видимому, со временем юридический статус изобретения будет несколько изменен, и простые конструкторские решения наподобие того, которое описано в а. с. № 317707 (введение теплоизоляции), перестанут считаться изобретениями. Во избежание путаницы будем пока пользоваться словосочетанием «изобретательская задача первого уровня», помня однако, что подлинные изобретательские задачи второго и более высоких уровней обязательно связаны с преодолением противоречий.
В самом факте возникновения изобретательской задачи уже присутствует противоречие: нужно что-то сделать, а как это сделать - неизвестно. Такие противоречия принято называть административными(АП). Выявлять административные противоречия нет необходимости, они лежат на поверхности задачи. Но и эвристическая, «подсказывательная» сила таких противоречий равна нулю: они не говорят, в каком направлении надо искать решение.
В глубине административных противоречий лежат техническиепротиворечия (ТП): если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр). Технические противоречия часто указаны в условиях задачи, но столь же часто исходная формулировка ТП требует серьезной корректировки. Зато правильно сформулированное ТП обладает определенной эвристической ценностью. Правда, формулировка ТП не дает указания на конкретный ответ. Но она позволяет сразу отбросить множество «пустых» вариантов: заведомо не годятся все варианты, в которых выигрыш в одном свойстве сопровождается проигрышем в другом.
Каждое ТП обусловлено конкретными физическими причинами. Возьмем для примера такую задачу:
Задача 4
При полировании оптических стекол необходимо под полировальник (он сделан из смолы) подавать охлаждающую жидкость. Пробовали делать в полировальнике сквозные отверстия и различные поры для подачи жидкости, но «дырчатая» поверхность полировальника работает хуже сплошной. Как быть?
Техническое противоречие здесь уже указано: охлаждающая способность «дырчатого» полировальника вступает в конфликт с его способностью полировать стекло. В чем причина конфликта? «Дырка» хорошо пропускает охлаждающую жидкость, но, естественно, не может сдирать частицы стекла. Твердые участки полировальника, наоборот, способны сдирать частицы стекла, но не в состоянии пропускать воду. Следовательно, поверхность полировальника должна быть твердой, чтобы сдирать частицы стекла, и «пустой», чтобы пропускать охлаждающую жидкость. Это - физическое противоречие(ФП): к одной и той же части системы предъявляются взаимопротивоположные требования.
В физических противоречиях столкновение конфликтующих требований предельно обострено. Поэтому на первый взгляд ФП кажутся абсурдными, заведомо неразрешимыми. Как сделать, чтобы вся поверхность полировальника была сплошной «дыркой» и в то же время сплошным твердым телом?! Но именно в этом, в доведении противоречия до крайности, и проявляется эвристическая сила ФП. Поскольку одна и та же часть вещества не может быть в двух разных состояниях, остается развести, разъединить противоречивые свойства простыми физическими преобразованиями. Можно, например, разделить их в пространстве: пусть объект состоит из двух частей, обладающих разными свойствами. Можно разделить противоречивые свойства во времени: пусть объект поочередно обладает то одним свойством, то другим. Можно использовать переходные состояния вещества, при которых на время возникает что-то вроде сосуществования противоположных свойств. Если, например, полировальник сделать из льда с вмороженными в него частицами абразива, лед при полирования будет плавиться, обеспечивая требуемое сочетание свойств: полирующая поверхность остается твердой и в то же время сквозь нее везде как бы проходит холодная вода.
Итак, нужны приемы, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, содержащиеся в изобретательских задачах. Эти приемы позволяют резко сократить поисковое поле и без «поштучной» проверки отбросить множество «пустых» вариантов.
Несколько приемов мы уже назвали: разделение противоречивых свойств в пространстве или во времени, использование переходных состояний веществ. А еще? Где взять набор приемов, достаточно богатый, чтобы решать самые различные изобретательские задачи? Ответ очевиден: ФП присущи только изобретательским задачам высших уровней, поэтому приемы устранения ФП надо искать в решениях этих задач. Практически это означает, что необходимо отобрать изобретения высших уровней и исследовать их описания. В таких описаниях обычно указаны исходная техническая система, ее недостатки и предлагаемая техническая система. Сопоставляя эти данные, можно выявить суть ФП и прием, использованный для его устранения.
Фонд описаний изобретений весьма велик: ежегодно в разных странах выдается около 300 тыс. патентов и авторских свидетельств. Для выявления современных приемов устранения ФП достаточно исследовать самый свежий «патентный слой» глубиной, скажем, в пять лет - это около 1,5 млн. изобретений. Цифра устрашающая. Однако первая же операция - отбор изобретений высших уровней - резко сокращает число описаний, подлежащих детальному исследованию. Изобретений пятого уровня очень мало - доли процента; четвертого уровня тоже немного - три-четыре процента. Если даже прихватить наиболее интересные изобретения третьего уровня, исследовать надо не более 10% изобретений в выделенном «патентном слое»: 150 тыс. описаний. Это - в идеальном случае. Для составления списка наиболее сильных приемов достаточен массив в 20-30 тыс. патентных описаний.
Хороший список приемов устранения ФП - уже немало. Но нужно уметь правильно выявлять противоречия, а также задать, когда и какой прием использовать, нужно располагать критериями для оценки полученных результатов. А для этого необходимо знать
По методу контрольных вопросов, как показывает само название, поиск направляется списками наводящих вопросов. Такие списки предлагались разными авторами. Типичные вопросы: а если сделать наоборот? А если заменить эту задачу другой? А если изменить форму объекта? А если взять другой материал?
Наиболее сильный метод активизации поиска - синектика,предложенная У. Гордоном. Он в 1960 г. создал в США фирму «Синектикс». В основу синектики положен мозговой штурм, но этот штурм ведет профессиональная или полупрофессиональная группа, которая от штурма к штурму накапливает опыт решения задач. При синектическом штурме допустимы элементы критики и, главное, предусмотрено обязательное использование четырех специальных приемов, основанных на аналогии: прямой (как решаются задачи, похожие на данную?), личной (попробуйте войти в образ данного в задаче объекта и попытайтесь рассуждать с этой точки зрения), символической (дайте в двух словах образное определение сути задачи), фантастической (как эту задачу решили бы сказочные персонажи?).
Фирма «Синектикс» сотрудничает с крупнейшими промышленными фирмами, корпорациями и высшими учебными заведениями, обучая синектическому штурму инженеров и студентов.
Главное достоинство методов активизации поиска - простота, доступность. Такие методы, как мозговой штурм, могут быть освоены после одного - двух занятий. Обучение синектике обычно длится всего несколько недель.
Методы активизации поиска универсальны, их можно применять для решения любых задач - научных, технических, организационных и др.
Принципиальный недостаток этих методов - непригодность при решении достаточно трудных задач. Штурм (простой или синектический) дает на порядок больше идей, чем обычный метод проб и ошибок. Но этого мало, если «цена» задачи 10 000 или 100 000 проб.
Методы активизации поиска сохраняют (в несколько улучшенном виде) старую тактику перебора вариантов. Эти методы не развиваются, а попытки их комбинирования не дают существенно нового результата. Поэтому в Советском Союзе методы активизации поиска не нашли широкого применения.
УРОВНИ ЗАДАЧ
Попробуйте задать вопрос: «Как надо охотиться?» - и вас сразу попросят уточнить, на кого именно охотиться. Микробы, комары, киты - живые существа, на них можно охотиться. Но охота на микробов, комаров, китов - три качественно отличающихся вида охоты. Никто не изучает эти три вида охоты «вообще». В изобретательстве же долгое время изучали творчество «вообще», а выводы по «микробным» изобретениям распространяли на изобретения «китовые», и наоборот.
Научный подход к изучению изобретательского творчества начинается с понимания простой истины: задачи бывают разные, нельзя изучать их «вообще». Есть очень легкие задачи, их решают после нескольких попыток, и есть задачи невообразимой трудности, которые решаются в течение многих лет. Почему легки легкие задачи? Почему трудны трудные задачи? Что именно делает задачу трудной? Нельзя ли какими-то приемами преобразовать трудную задачу в легкую?..
Рассмотрим эти вопросы, но сначала уточним понятия «легкая» и «трудная» задача.
По степени трудности задачи можно разделить на пять уровней (классов). Для самых легких задач (первый уровень) характерно применение средств (устройств, способов, веществ), которые прямо предназначены именно для данной цели. Вот пример задачи первого уровня.
Задача 1
Имеется печь, в которой находится расплавленный металл. В центральную зону печи подведен трубопровод для жидкого кислорода. Что нужно сделать, чтобы кислород, идущий по этой трубе, не газифицировался вплоть до выхода в металл?
Ответ очевиден: нужна теплоизоляция, а если она уже есть, нужно ее усилить - сделать более толстой, ввести двойные стенки, использовать принудительное охлаждение и т. д. Именно так и была решена эта задача: «Устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл, выполненное в виде четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной 15-20 мм» (авторское свиидетельство - а.с.№317707).
Надо бороться с теплом - и вот введен слой теплоизоляции. Его толщина не 1,5-2 мм, этого было бы явно мало, и не 1,5-2 м, труба с таким защитным слоем просто не поместилась бы в печи, а 15-20 мм, как и следовало ожидать. Решение предельно очевидное. Многочисленные эксперименты с задачей показали, что ее с нескольких попыток решают все - научные работники, конструкторы, студенты, учащиеся ПТУ, школьники.- Любопытно отметить, что а.с. № 317707 выдано десяти авторам...
Это типичная задача, решенная на первом уровне; в принципе одна и та же задача может быть решена на разных уровнях.
В каждом выпуске бюллетеня «Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки» около 30 % изобретений - решение подобных задач. В данном случае поиск решения практически сведен к нулю. Технология изобретательского творчества на этом уровне не нуждается в усовершенствовании.
Предположим, дана задача: «Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги «забивает» менее яркие детали (капли металла и т. д.). Как быть?» В такой формулировке задача без труда решается на первом уровне: надо осветить зону сварки лучом, более ярким, чем дуга. Теперь усложним задачу, введя дополнительные требования.
Задача 2
Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги «забивает» менее яркие детали (капли металла и т. д.). Надо улучшить условия наблюдения без существенного усложнения аппаратуры и снижения производительности.
Новая задача сложнее, поэтому придется перебрать несколько десятков вариантов. Отпадут, например, все предложения, связанные с введением дополнительных светильников для освещения зоны сварки,- они значительно усложнят оборудование. Не подойдут и предложения, требующие периодического отключения дуги,- они связаны со снижением производительности. Наиболее простое решение, удовлетворяющее условиям задачи, выглядит так: «Устройство для защиты глаз и лица электросварщика. содержащее корпус и рамку с встроенным в нее светофильтром, отличающееся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фокусирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зону расплавления» (а. с. № 252549).
В задачах первого уровня объект (устройство или способ) не изменяется(усилили уже имеющуюся теплоизоляцию). На втором уровне объект изменяется, но несильно(в защитное устройство дополнительно введено зеркало). На третьем уровне объект изменяется сильно,на четвертом он меняется полностью,а на пятом меняется вся техническая система,в которую входит объект.
Пример изобретения третьего уровня: «Винтовая пара, состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения трения между ними во время работы винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта» (а. с. № 154 459). Винтовая пара осталась, но она сильно изменена по сравнению с прототипом.
Примером изобретения четвертого уровня может служить новый способ контроля износа двигателя. Раньше контроль износа вели, время от времени отбирая пробы масла и определяя содержание в них металлических частиц. По а.с. № 260 249 предложено добавлять в масло люминофоры и по изменению свечения (мелкие частицы металла гасят свечение) непрерывно контролировать концентрацию частиц металла. Исходный способ изменен полностью. Использованный физический эффект менее известен, чем в предыдущем изобретении. Найденная идея шире запатентованного способа контроля износа: по гашению люминесценции можно контролировать появление металлических частиц и в других случаях.
Изобретение пятого уровня: «Применение монокристаллов сплавов медь-алюминий-никель и медь-алюминий-марганец в качестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры» (а. с. № 412 397). Вообще то известно, что твердые тела меняют свои свойства при изменении температуры. Но веществ, которые сильно меняют свойства при небольших перепадах температур, мы знаем мало. Обнаружение или получение таких веществ - это уже нечто граничащее с открытием. Новые вещества - преобразователи можно использовать при решении самых различных изобретательских задач (создание тепловых двигателей, различных измерительных приборов и т. д.).
Решение задачи первого уровня требует перебора нескольких очевидных вариантов. Это доступно каждому инженеру, и подобные задачи повседневно решаются без затруднений, хотя и не всегда оформляются в виде заявок на изобретения. На втором уровне число вариантов измеряется уже десятками. Перебрать 50-70 вариантов в принципе способен каждый инженер. Но все-таки здесь требуется определенное терпение, настойчивость, уверенность в возможности решения задачи. Иногда человек выдыхается после десяти попыток. Правильное решение задач третьего уровня прячется среди сотен неправильных. На четвертом уровне нужно сделать тысячи и десятки тысяч проб и ошибок, чтобы отыскать решение задачи. Наконец, на пятом уровне число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов. Можно вспомнить, например, что Эдисону пришлось поставить 50 000 опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор. Речь идет только о вещественных опытах; мысленных экспериментов, всевозможных «а если сделать так?» наверняка было значительно больше. Вот пример учебной задачи четвертого уровня.
Задача 3
Кривые стволы и сучья деревьев разрубают им щепу. Получается смесь кусков коры и щепы древесины. Как отделить куски коры от щепы древесины, если они очень мало отличаются по плотности и другим характеристикам?
По этой задаче есть множество патентов, выданных в различных странах: изобретатели упорно (и безуспешно) пытаются отделять куски коры от щепы древесины, используя ничтожную разницу в плотности. В экспериментах с этой задачей число проб иногда измерялось сотнями, однако никому не удавалось преодолеть психологические барьеры и пойти в принципиально новом и, главное, верном направлении.
Может возникнуть вопрос: если все-таки делаются изобретения высших уровней, значит, как-то удается перебрать сотни и тысячи вариантов?
Тут действует очень интересный «эстафетный» механизм. Появилась задача «ценой» в 1100000 проб. Кто-то потратил полжизни на перебор 10000 проб и не нашел решения. Задачу взялся решать другой человек, он перекопал еще какую-то часть поискового поля, и так далее. Задача приобретает репутацию неразрешимой, «вековечной». На самом же деле она постепенно упрощается и в конце концов решается. Здесь и появляются исследователи, пытающиеся выяснить, в чем секрет изобретателя, решившего «вековечную» задачу. Никакого секрета нет. Неудачники, штурмовавшие задачу в начале «эстафеты», могли быть даже более способными, чем тот, кто «пробежал» последний этап. Просто им досталось слишком большое поисковое поле. В сущности, задачу решал не один человек, а целый коллектив, «кооперация современников», по определению Маркса. Для очень трудных задач необходима даже кооперация изобретателей нескольких поколений. Их усилия постепенно превращают задачу пятого уровня в сравнительно простую задачу первого уровня, кто-то делает последний рывок тем же методом проб и ошибок.
Есть другой способ, который можно назвать «задача сама ищет своего решателя». Сложная задача трудна потому, что она относится к одной области, а для ее решения нужны знания совсем из другой области. Когда в 1898 г. Крукс поставил задачу связывания атмосферного азота, о ней благодаря научному авторитету Крукса стало известно очень многим ученым. Норвежский специалист по полярным сияниям Биркеланд предложил использовать процессы, подобные происходящим в верхней атмосфере. Задача «отыскала» человека, чьи специальные знания были необходимы для ее решения.
Задачи высших уровней отличаются от задач низших уровней не только числом проб, необходимых для обнаружения решения. Существует и качественная разница. Задачи первого уровня и средства их решения находятся в пределах одной узкой специальности (задача по усовершенствованию производства древесно-стружечных плит решается методами, уже использовавшимися в этом производстве). Задачи второго уровня и средства их решения относятся к одной отрасли техники (задача о древесно-стружечных плитах решается методами, известными в деревообработке). Для задач третьего уровня решения приходится искать в других отраслях (задача в деревообработке решается методами, известными в металлообработке). Решение задач четвертого уровня надо искать не в технике, а в науке - обычно среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений. На высших подуровнях задач пятого уровня средства решения могут вообще оказаться за пределами современной науки; поэтому сначала нужно сделать открытие, а потом, опираясь на новые научные данные, решать изобретательскую задачу.
На первом и втором уровнях можно перебирать варианты, пользуясь знаниями только по всей специальности. Чем выше уровень, тем более широкие знания нужны. Коллектив хороших специалистов легко делает изобретения первого и второго уровней. Такие изобретения совершенствуют технику. Но принципиально новые решения скорее можно ожидать от людей «со стороны». Вот, например, а. с. № 210 662: «Индукционный электромагнитный насос, содержащий корпус, индуктор и канал, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью упрощения запуска насоса индуктор выполнен скользящим вдоль оси канала насоса». Это изобретение сделано специалистами: никакой революции, но вполне полезное улучшение. Экспертиза легко приняла новую идею - от заявки до публикации прошло 14 месяцев. А журналист А. Пресняков 14 лет добивался свидетельства (№ 247 064): «Применение электромагнитного насоса для перекачки электролитов в качестве реактивного судового двигателя». В основе этого изобретения - магнитогидравлический эффект. Идея была выдвинута, когда о магнитогидравлических двигателях, получивших теперь такую известность, никто практически не знал.
Еще один пример. Четверо слушателей общественного института изобретательского творчества взяли для дипломной работы сложнейшую задачу из области аэронавигации. Над этой задачей работали во многих странах. Трое студентов и один молодой инженер не были специалистами в данной области. Расчет строился на том, что сильное решение должно оказаться за пределами обычных идей и принципов навигационного приборостроения. Так и получилось. Нужный принцип нашелся в весьма далекой от авиации области аналитических измерений в кондитерской технике. Изобретение получило положительную оценку специалистов, было выдано авторское свидетельство.
Научно-техническая революция требует, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Обычный путь интенсификации процесса решения состоит в увеличении числа людей, одновременно работающих над одной проблемой. Но возможности такой интенсификации почти исчерпаны: сосредоточение большого числа людей на решении одной технической проблемы ведет к уменьшению интенсивности работы на других направлениях.
Нужен способ перевода изобретательских задач с высших уровней на низшие. Если задачу четвертого или пятого уровня удастся перевести на первый или второй уровень, далее сработает обычный перебор вариантов. Вся проблема в том, чтобы уметь быстро сужать поисковое поле, превращая «трудную» задачу в «легкую».
Сравним два изобретения. Первое: «Способ определения параметров, недоступных прямому наблюдению (например, износостойкости), основанный на косвенном контроле, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью повышения точности определения искомых параметров по результатам косвенного контроля подбирают изделия в пары (серии) по принципу близости измеренных параметров в одном образце от каждой пары (серии), определяют искомый параметр, разрушая изделие, и распространяют полученный результат на оставшиеся изделия этой пары (серии)» (а. с. № 188 097). Чтобы проверить изделия, предлагается весьма простое решение: сломать половину изделий и посмотреть... Правда, тут возникает противоречие: чем большую часть изделий мы сломаем, тем надежнее сможем судить об оставшихся.
Второе изобретение: «Способ контроля и дефектоскопии однотипных изделий, имеющих скрытые дефекты, например, в виде пустот или инородных включений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью упрощения процесса контроля изделие помещают в ванну с электропроводной жидкостью, пропускают через нее электрический ток, а затем воздействуют на жидкость магнитным полем для изменения ее кажущейся плотности до достижения безразличного положения в ней исправных изделий, и наличие дефектов определяют по изменению положения относительно дна ванны» (а. с. № 286 318). Очень похожая задача, но в решении нет противоречия - испытания проводят, не ломая изделий. Использован оригинальный прием: с помощью взаимодействия электрического и магнитного полей жидкость заставляют как бы менять свою плотность, отчего помещенное в жидкость изделие тонет или всплывает (в зависимости от наличия или отсутствия дефектов).
Изобретательские задачи часто путают с задачами техническими, инженерными, конструкторскими. Построить обычный дом, имея готовые чертежи и расчеты, - задача техническая. Рассчитать обычный мост, пользуясь готовыми формулами, - задача инженерная. Спроектировать удобный и дешевый автобус, найдя компромисс между «удобно» и «дешево», - задача конструкторская. При решении этих задач не приходится преодолевать противоречия. Задача становится изобретательской только в том случае, если для ее решения необходимо преодолеть противоречие.
Не сталкиваемся мы с противоречиями и при решении задач первого уровня. Строго говоря, это задачи конструкторские, а не изобретательские. Юридическое понимание термина «изобретение» не совпадает с пониманием так сказать, техническим, творческим. По-видимому, со временем юридический статус изобретения будет несколько изменен, и простые конструкторские решения наподобие того, которое описано в а. с. № 317707 (введение теплоизоляции), перестанут считаться изобретениями. Во избежание путаницы будем пока пользоваться словосочетанием «изобретательская задача первого уровня», помня однако, что подлинные изобретательские задачи второго и более высоких уровней обязательно связаны с преодолением противоречий.
В самом факте возникновения изобретательской задачи уже присутствует противоречие: нужно что-то сделать, а как это сделать - неизвестно. Такие противоречия принято называть административными(АП). Выявлять административные противоречия нет необходимости, они лежат на поверхности задачи. Но и эвристическая, «подсказывательная» сила таких противоречий равна нулю: они не говорят, в каком направлении надо искать решение.
В глубине административных противоречий лежат техническиепротиворечия (ТП): если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр). Технические противоречия часто указаны в условиях задачи, но столь же часто исходная формулировка ТП требует серьезной корректировки. Зато правильно сформулированное ТП обладает определенной эвристической ценностью. Правда, формулировка ТП не дает указания на конкретный ответ. Но она позволяет сразу отбросить множество «пустых» вариантов: заведомо не годятся все варианты, в которых выигрыш в одном свойстве сопровождается проигрышем в другом.
Каждое ТП обусловлено конкретными физическими причинами. Возьмем для примера такую задачу:
Задача 4
При полировании оптических стекол необходимо под полировальник (он сделан из смолы) подавать охлаждающую жидкость. Пробовали делать в полировальнике сквозные отверстия и различные поры для подачи жидкости, но «дырчатая» поверхность полировальника работает хуже сплошной. Как быть?
Техническое противоречие здесь уже указано: охлаждающая способность «дырчатого» полировальника вступает в конфликт с его способностью полировать стекло. В чем причина конфликта? «Дырка» хорошо пропускает охлаждающую жидкость, но, естественно, не может сдирать частицы стекла. Твердые участки полировальника, наоборот, способны сдирать частицы стекла, но не в состоянии пропускать воду. Следовательно, поверхность полировальника должна быть твердой, чтобы сдирать частицы стекла, и «пустой», чтобы пропускать охлаждающую жидкость. Это - физическое противоречие(ФП): к одной и той же части системы предъявляются взаимопротивоположные требования.
В физических противоречиях столкновение конфликтующих требований предельно обострено. Поэтому на первый взгляд ФП кажутся абсурдными, заведомо неразрешимыми. Как сделать, чтобы вся поверхность полировальника была сплошной «дыркой» и в то же время сплошным твердым телом?! Но именно в этом, в доведении противоречия до крайности, и проявляется эвристическая сила ФП. Поскольку одна и та же часть вещества не может быть в двух разных состояниях, остается развести, разъединить противоречивые свойства простыми физическими преобразованиями. Можно, например, разделить их в пространстве: пусть объект состоит из двух частей, обладающих разными свойствами. Можно разделить противоречивые свойства во времени: пусть объект поочередно обладает то одним свойством, то другим. Можно использовать переходные состояния вещества, при которых на время возникает что-то вроде сосуществования противоположных свойств. Если, например, полировальник сделать из льда с вмороженными в него частицами абразива, лед при полирования будет плавиться, обеспечивая требуемое сочетание свойств: полирующая поверхность остается твердой и в то же время сквозь нее везде как бы проходит холодная вода.
Итак, нужны приемы, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, содержащиеся в изобретательских задачах. Эти приемы позволяют резко сократить поисковое поле и без «поштучной» проверки отбросить множество «пустых» вариантов.
Несколько приемов мы уже назвали: разделение противоречивых свойств в пространстве или во времени, использование переходных состояний веществ. А еще? Где взять набор приемов, достаточно богатый, чтобы решать самые различные изобретательские задачи? Ответ очевиден: ФП присущи только изобретательским задачам высших уровней, поэтому приемы устранения ФП надо искать в решениях этих задач. Практически это означает, что необходимо отобрать изобретения высших уровней и исследовать их описания. В таких описаниях обычно указаны исходная техническая система, ее недостатки и предлагаемая техническая система. Сопоставляя эти данные, можно выявить суть ФП и прием, использованный для его устранения.
Фонд описаний изобретений весьма велик: ежегодно в разных странах выдается около 300 тыс. патентов и авторских свидетельств. Для выявления современных приемов устранения ФП достаточно исследовать самый свежий «патентный слой» глубиной, скажем, в пять лет - это около 1,5 млн. изобретений. Цифра устрашающая. Однако первая же операция - отбор изобретений высших уровней - резко сокращает число описаний, подлежащих детальному исследованию. Изобретений пятого уровня очень мало - доли процента; четвертого уровня тоже немного - три-четыре процента. Если даже прихватить наиболее интересные изобретения третьего уровня, исследовать надо не более 10% изобретений в выделенном «патентном слое»: 150 тыс. описаний. Это - в идеальном случае. Для составления списка наиболее сильных приемов достаточен массив в 20-30 тыс. патентных описаний.
Хороший список приемов устранения ФП - уже немало. Но нужно уметь правильно выявлять противоречия, а также задать, когда и какой прием использовать, нужно располагать критериями для оценки полученных результатов. А для этого необходимо знать