Страница:
Основная трудность при таких испытаниях связана с определением момента разрыва образца. Правда, здесь
не требуется особой точности. Достаточно, если момент обрыва будет зафиксирован с точностью до нескольких секунд, так как испытания ведутся иногда в течение многих дней. Сложность в другом: трудно обеспечить надежность сигнальных устройств, размещенных внутри камеры в сильно агрессивной среде. Нужно, чтобы момент обрыва определялся снаружи. Аппаратура, улавливающая шум падения груза, не годится - она слишком сложна и ненадежна.
Примем для определенности, что камера имеет размеры 0,4 X 0,3 м X 0»3 м, а толщина стальных стенок - около 10 мм. Итак, нужен предельно простой и надежный способ регистрации момента разрыва образца. Помните: не должно быть ни одного сквозного отверстия в стенках камеры!
Начните анализ задачи с шага 2-3.
Задача 12
Имеется пневматический конвейер. Он представляет собой наклонную трубку, по дну которой снизу вверх - под действием потока воздуха - перемещаются (катятся) мелкие штучные грузы. В нашем случае - помидоры. Трубка идет с этажа на этаж, в нескольких местах меняет направление (для наглядности можно считать, что труба расположена вдоль обычной лестницы). Недостаток системы: помидоры налетают друг на друга, ударяются, портятся.
Нужен способ пневматической транспортировки, при котором грузы будут двигаться по заданной программе с абсолютной надежностью: на определенном расстоянии друг от друга и в определенном темпе. Отказываться от пневматической системы транспортировки крайне нежелательно: потребуете» новое оборудование, а его у нас нет.
Начните решение задачи с шага 2-3.
Задача 13
В электронных схемах высокой частоты применяют так называемые линии задержки. Они служат для сдвига выходного сигнала по времени. Линии задержки представляют собой слоистую конструкцию - слои материала с низким и высоким омическими сопротивлениями чере-
дуются. Такими парами могут быть, например, стекло и сталь, сплав Вуда и медь. Толщина слоев составляет 0,1 - 0,01 мм, точность изготовления требуется высокая.
Известные способы изготовления (прессование, прокатка) малопроизводительны, дороги, дают много брака. Из некоторых пар вообще не удается получить слоистую конструкцию: материалы, составляющие пару, обычно резко отличаются по температуре плавления (стекло - до 800°, сталь-1500°, сплав Вуда -70°, медь-1083°); на тонкую пластину из сплава Вуда наложить раскаленную медную пластину, сплав Вуда просто растает.
Нужен принципиально новый способ изготовления слоистых конструкций.
Эта задача сложнее двух предыдущих: барьеры на пути к ее решению весьма высокие. Начните решение с шага 2- 2.
Задача 1 4
Трубопровод далеко не всегда удается загрузить каким-либо одним нефтепродуктом.-Поэтому была предложена последовательная транспортировка, при которой разные нефтепродукты передаются по одному трубопроводу друг за другом, так сказать, встык. Способ этот в принципе имеет большое преимущество: вместо нескольких параллельных трубопроводов можно построить один. Но широкого распространения последовательная перекачка пока не получила.
Причина в том, что при перекачке одного горючего вслед за другим в зоне их соприкосновения неизбежно происходит смешивание. В связи с этим возникают сложные технические проблемы. Как, например, точно установить, когда кончается чистый бензин и начинается смесь его с дизельным топливом? А где кончается эта смесь и начинается последующий чистый продукт? Как своевременно отделить смесь от чистых продуктов и избежать загрязнения топлива, ранее поступившего в разервуары конечного пункта перекачки?
До 1960 года почти на всех магистральных нефтепроводах применялся ручной способ контроля: во время очередного цикла перекачки лаборанты контрольных пунктов в любую погоду, днем и ночью часами просиживали в сырых колодцах трубопровода, производя многочисленные анализы.
Рис. 30. Как уменьшить потери нефтепродуктов, передаваемых по одному трубопроводу?
Делалось это кустарно: прямо из трубопровода брали пробу, наливали ее в колбу и по уровню плавающего в ней поплавка определяли плотность нефтепродукта. Но разность плотности светлых горючих весьма незначительна, и «ловить» таким путем границы смешения было почти невозможно. В результате за каждый цикл перекачки только по одному трубопроводу среднего диаметра (500 мм) вместе со смесью уходило в брак от 800 до 1200 тонн чистых продуктов.
Было внесено несколько предложений. Например, предложили прибор «нефтеденсиметр», который определял сортность нефтепродуктов по их плотноети тоже на основе поплавка, но установленного в горловине трубопровода. Предлагалось также осуществлять контроль гамма-плотномером. Этот прибор действует при помощи гамма-излучений радиоактивных изотопов, устанавливая качество горючего опять-таки по его плотности. Есть ультразвуковые установки, измеряющие скорость распространения звука в жидкости.
Посмотрите на рис. 30. По трубопроводу встык движутся два разных нефтепродукта Л и Б. На стыке образуется смесь А + Б.Если бы удалось точно фиксировать границы I и II, то потери не превышали бы объема смеси. Но из-за неточности контроля приходится начинать отделение смеси раньше (линии III), а заканчивать позже (линия IV), чем это теоретически возможно. Совершенствуя методы контроля, приближают линию III к I и линию IV к II. Потери при этом уменьшаются, но смесь А + Бобразуется по-прежнему. Целесообразнее обходной путь: вообще избежать образование смеси А + Б,использовав какой-то разделитель между Аи Б.
Рис. 31. Разделители с манжетными и дисковыми уплотнителями.
Известны разделители (рис.31) с манжетными, дисковыми и щеточными уплотнителями. Однако эти «ершики» имеют принципиальные недостатки: смесеобразование не предотвращается - нефтепродукты просачиваются через зазоры между стенками трубы и уплотнителями; «ершики» застревают в трубопроводах, а кое-где вообще не могут пройти. На трассе (через определенные расстояния) стоят промежуточные насосные пункты. Понятно, что пройти через насосы твердый разделитель не может.
Расположить вдоль трубопровода гибкую перегородку? Дорого, сложно, ненадежно…
Были предложены жидкие разделители: вода, лигроин» На первый взгляд это удачное решение: чтобы не происходило смешивания, достаточно взять жидкий разделитель в небольшом количестве - полтора процента от объема трубопровода. Но беда в том, что и вода, и лигроин, и любой другой жидкий разделитель в процессе транспортировки смешиваются с нефтепродуктами. Конечно, не жалко выбросить отработавшую в качестве разделителя воду, но как отделить ее от нефтепродуктов?
Итак, твердые и жидкие разделители имеют серьезные недостатки. Газообразные вообще не подходят: газ поднимается в верхнюю часть трубопровода и перестает играть роль разделителя.
Проведите анализ задачи с шага 2-3.
«ЗАПАТЕНТОВАНО» В ПАЛЕОЗОЕ.
не требуется особой точности. Достаточно, если момент обрыва будет зафиксирован с точностью до нескольких секунд, так как испытания ведутся иногда в течение многих дней. Сложность в другом: трудно обеспечить надежность сигнальных устройств, размещенных внутри камеры в сильно агрессивной среде. Нужно, чтобы момент обрыва определялся снаружи. Аппаратура, улавливающая шум падения груза, не годится - она слишком сложна и ненадежна.
Примем для определенности, что камера имеет размеры 0,4 X 0,3 м X 0»3 м, а толщина стальных стенок - около 10 мм. Итак, нужен предельно простой и надежный способ регистрации момента разрыва образца. Помните: не должно быть ни одного сквозного отверстия в стенках камеры!
Начните анализ задачи с шага 2-3.
Задача 12
Имеется пневматический конвейер. Он представляет собой наклонную трубку, по дну которой снизу вверх - под действием потока воздуха - перемещаются (катятся) мелкие штучные грузы. В нашем случае - помидоры. Трубка идет с этажа на этаж, в нескольких местах меняет направление (для наглядности можно считать, что труба расположена вдоль обычной лестницы). Недостаток системы: помидоры налетают друг на друга, ударяются, портятся.
Нужен способ пневматической транспортировки, при котором грузы будут двигаться по заданной программе с абсолютной надежностью: на определенном расстоянии друг от друга и в определенном темпе. Отказываться от пневматической системы транспортировки крайне нежелательно: потребуете» новое оборудование, а его у нас нет.
Начните решение задачи с шага 2-3.
Задача 13
В электронных схемах высокой частоты применяют так называемые линии задержки. Они служат для сдвига выходного сигнала по времени. Линии задержки представляют собой слоистую конструкцию - слои материала с низким и высоким омическими сопротивлениями чере-
дуются. Такими парами могут быть, например, стекло и сталь, сплав Вуда и медь. Толщина слоев составляет 0,1 - 0,01 мм, точность изготовления требуется высокая.
Известные способы изготовления (прессование, прокатка) малопроизводительны, дороги, дают много брака. Из некоторых пар вообще не удается получить слоистую конструкцию: материалы, составляющие пару, обычно резко отличаются по температуре плавления (стекло - до 800°, сталь-1500°, сплав Вуда -70°, медь-1083°); на тонкую пластину из сплава Вуда наложить раскаленную медную пластину, сплав Вуда просто растает.
Нужен принципиально новый способ изготовления слоистых конструкций.
Эта задача сложнее двух предыдущих: барьеры на пути к ее решению весьма высокие. Начните решение с шага 2- 2.
Задача 1 4
Трубопровод далеко не всегда удается загрузить каким-либо одним нефтепродуктом.-Поэтому была предложена последовательная транспортировка, при которой разные нефтепродукты передаются по одному трубопроводу друг за другом, так сказать, встык. Способ этот в принципе имеет большое преимущество: вместо нескольких параллельных трубопроводов можно построить один. Но широкого распространения последовательная перекачка пока не получила.
Причина в том, что при перекачке одного горючего вслед за другим в зоне их соприкосновения неизбежно происходит смешивание. В связи с этим возникают сложные технические проблемы. Как, например, точно установить, когда кончается чистый бензин и начинается смесь его с дизельным топливом? А где кончается эта смесь и начинается последующий чистый продукт? Как своевременно отделить смесь от чистых продуктов и избежать загрязнения топлива, ранее поступившего в разервуары конечного пункта перекачки?
До 1960 года почти на всех магистральных нефтепроводах применялся ручной способ контроля: во время очередного цикла перекачки лаборанты контрольных пунктов в любую погоду, днем и ночью часами просиживали в сырых колодцах трубопровода, производя многочисленные анализы.
Делалось это кустарно: прямо из трубопровода брали пробу, наливали ее в колбу и по уровню плавающего в ней поплавка определяли плотность нефтепродукта. Но разность плотности светлых горючих весьма незначительна, и «ловить» таким путем границы смешения было почти невозможно. В результате за каждый цикл перекачки только по одному трубопроводу среднего диаметра (500 мм) вместе со смесью уходило в брак от 800 до 1200 тонн чистых продуктов.
Было внесено несколько предложений. Например, предложили прибор «нефтеденсиметр», который определял сортность нефтепродуктов по их плотноети тоже на основе поплавка, но установленного в горловине трубопровода. Предлагалось также осуществлять контроль гамма-плотномером. Этот прибор действует при помощи гамма-излучений радиоактивных изотопов, устанавливая качество горючего опять-таки по его плотности. Есть ультразвуковые установки, измеряющие скорость распространения звука в жидкости.
Посмотрите на рис. 30. По трубопроводу встык движутся два разных нефтепродукта Л и Б. На стыке образуется смесь А + Б.Если бы удалось точно фиксировать границы I и II, то потери не превышали бы объема смеси. Но из-за неточности контроля приходится начинать отделение смеси раньше (линии III), а заканчивать позже (линия IV), чем это теоретически возможно. Совершенствуя методы контроля, приближают линию III к I и линию IV к II. Потери при этом уменьшаются, но смесь А + Бобразуется по-прежнему. Целесообразнее обходной путь: вообще избежать образование смеси А + Б,использовав какой-то разделитель между Аи Б.
Известны разделители (рис.31) с манжетными, дисковыми и щеточными уплотнителями. Однако эти «ершики» имеют принципиальные недостатки: смесеобразование не предотвращается - нефтепродукты просачиваются через зазоры между стенками трубы и уплотнителями; «ершики» застревают в трубопроводах, а кое-где вообще не могут пройти. На трассе (через определенные расстояния) стоят промежуточные насосные пункты. Понятно, что пройти через насосы твердый разделитель не может.
Расположить вдоль трубопровода гибкую перегородку? Дорого, сложно, ненадежно…
Были предложены жидкие разделители: вода, лигроин» На первый взгляд это удачное решение: чтобы не происходило смешивания, достаточно взять жидкий разделитель в небольшом количестве - полтора процента от объема трубопровода. Но беда в том, что и вода, и лигроин, и любой другой жидкий разделитель в процессе транспортировки смешиваются с нефтепродуктами. Конечно, не жалко выбросить отработавшую в качестве разделителя воду, но как отделить ее от нефтепродуктов?
Итак, твердые и жидкие разделители имеют серьезные недостатки. Газообразные вообще не подходят: газ поднимается в верхнюю часть трубопровода и перестает играть роль разделителя.
Проведите анализ задачи с шага 2-3.
«ЗАПАТЕНТОВАНО» В ПАЛЕОЗОЕ.
Общее количество патентов на изобретения, выданных во всем мире, составляет около 13 миллионов. Предположим, что одно описание можно прочитать за 5 минут. Тогда на ознакомление с мировым патентным фондом потребуется около 125 лет.
Есть, однако, еще один «патентный фонд», в котором изобретений так много, что ознакомиться с ними человечеству не удалось за все время существования. Это п а-тентный фонд природы.
Человек издавна пользовался идеями, «запатентованными» природой. Количество изобретений, имеющих прямые прообразы в природе, вероятно, измеряется десятками тысяч. И все же пока освоена ничтожная часть «изобретений» природы, лишь те, которые лежали на виду.
Еще недавно господствовало мнение, будто одни и те же задачи в технике и в природе решаются разными путями. Действительно, технические решения чаще всего не похожи на решения природные. То, что в природе достигается тихо и как-то незаметно, в технике нередко связано с использованием огромных температур и давлений, с колоссальным расходом энергии, словом, с «большими потенциалами». Эти «.большие потенциалы» выглядят куда более внушительными, чём едва заметные приспособления каких-то букашек.
Считалось азбучной истиной, что копирование природы лежит в стороне от главной линии развития техники. Поэтому изобретатели, решая новые технические задачи, обычно даже не делали попыток использовать ответы, уже полученные природой.
Какой же путь предпочтительнее - традиционно-технический или тот, по которому развивались «живые машины»?
Сравним, например, крыло самолета и крыло птицы. Крыло современного самолета - одно из наивысших достижений техники. Но ни один самолет не может соперничать с птицами по количеству поднимаемого груза на единицу затрачиваемой мощности. Если бы крылья современных самолетов были машущими, они поднимали бы 120-130 кг груза на 1 л. с, развиваемую двигателями. А пока крылья наиболее совершенных машин способны поднять лишь вдесятеро меньший удельный груз.
Особенно велико превосходство природы в конструировании «контрольно-измерительных приборов». Кузнечик располагает слуховой аппаратурой, улавливающей колебания, амплитуда которых равна половине диаметра атома водорода! Не удивительно, что именно приборостроители первыми пришли к выводу о необходамости планомерно изучать и переносить в свою практику принципы, используемые природой. Так возникла бионика - наука, решающая инженерные проблемы приемами, заимствованными у природы.
Вначале бионика занималась лишь моделированием органов чувств. Сейчас круг решаемых ею проблем значительно расширился: бионика берется за задачи, относящиеся к самым различным отраслям техники. Общим является лишь метод*решения - использование прообразов природы.
В сущности, восьмой шаг оперативной стадии АРИЗ можно было бы сформулировать так: надо подойти к решению изобретательской задачи с позиций бионики. Теоретически здесь все просто-изобретатель заимствует готовое решение. Практически же, прежде чем позаимствовать, надо найти подходящий природный прообраз. И тут оказывается, что при всей теоретической бесспорности этого приема практически он может быть использован лишь в редчайших случаях.
На семинарах по методике изобретательства были решены сотни учебных и производственных задач, но ни разу в качестве подсказки не использовались природные прообразы! Правда, после решения задачи нередко удавалось «подобрать» для найденной идеи природный аналог. Это укрепляло уверенность в том, что решение правильное, но не больше.
В чем же дело?
Казалось бы, появление бионики должно было сразу дать каскад ошеломляющих изобретений во всех отраслях техники. Но отдача бионики пока заметна лишь в кибернетике. Здесь бионика стала надежным компасом исследователя. В других отраслях техники живые прототипы используются не чаще, чем в те времена, когда вместо нового слова «бионика» употреблялось выражение «копирование природных прообразов».
Достаточно прочесть несколько книг и статей по бионике, чтобы обнаружить один и тот же весьма скромный набор примеров: ультразвуковая локация у летучих мышей; жужжальца-гироскопы у мух; китообразная форма судов; кожа дельфина, снижающая сопротивление воды при движении; искусственное «ухо медузы», предупреждающее о приближении шторма…
И вот что характерно: сначала, как правило, делается изобретение, а потом отыскивается его живой прототип. Так, например, принцип метода снижения сопротивления бш1 предложен Крамером еще в 1938 году, а лишь в 1955 году тот же Крамер обнаружил, что дельфины «применили его идею».,.
Представьте себе патентную библиотеку, в которой миллиарды самых различных патентов расставлены по полкам в неизвестном для вас порядке. Именно такой видит «патентную библиотеку» природы изобретатель, работающий над решением новой технической задачи.
Н$деди*ой методики выбора живых прототипов пока нет. Поэтому в большинстве случаев изобретателю оказывается проще самому найти решение, чем отыскать подходящий патент природы.
И все-таки ддеративная стадия АРИЗ включает бионический ш$г. Есть два подхода, облегчающие ориентировку в гигантском патентном фонде природы!
1. Нужно искать прототипы среди древних животных: старые патенту природы проще и в то же вр^дея достаточно эффективны.
2. Нужно рассматривать общие тенденции в развитии патентов Природы. Найти готовое решение очень трудно, но почти всегда можно выявить тенденции развития природных аналогов.
Поговорим об этом подробнее.
В Древней Греции было создано великолепное по тем временам изобретение: тараны, которыми разбивали ворота осажденной крепости, стали делать с торцами в виде
бараньих лбов. Такие торцы, как свидетельствуют историки, отлично воспринимали ударную нагрузку…
Неведомые древнегреческие бионики, создавая таран с бараньим лбом, вероятно, рассуждали так: «Нужно, чтобы бревно не расщеплялось и не сплющивалось при ударе. Где нам приходилось видеть что-нибудь подобное? На пастбищах! Бараны сталкиваются лбами - и ничего! Отличный прототип, лучше не придумаешь…»
По этому методу до сих пор осуществляется выбор живых прототипов: стараются отыскать возможно более совершенный «оригинал». Допустим, биолог укажет инженеру достаточно совершенный живой прототип. Хорошо? Нет. Ибо такие прототипы, как правило, сложны. Детально разобраться в их устройстве очень трудно, а построить копию порой просто невозможно.
Именно так обстоит дело с попытками скопировать кожу дельфина. В этом патенте природы и сегодня многое остается загадочным. Постепенно выясняется, что дельфин обладает тонкой и сложной системой кожного демпфирования. Нервные окончания в каждой точке кожного покрова улавливают изменение давления и передают соответствующие сигналы в центральную нервную систему, которая регулирует демпфирующую работу кожи. Практически невозможно и невыгодно копировать столь сложный прототип.
Выбирая наиболее совершенные природные прототипы, мы пользуемся последними томами патентной библиотеки природы. Не приходится удивляться, что многое оказывается непонятно: ведь мы читаем с конца!
Между тем для решения подавляющего большинства задач совсем не обязательно использовать совершенные, но слишком сложные прообразы. Гораздо перспективнее брать в качестве прообразов сравнительно менее совершенные, но зато более простые «патенты» - древних животных, изучаемых палеонтологией.
Палеобионический метод прежде всего намного расширяет «патентный фонд» природы. Среди ныне существующих животных нет, например, таких больших, какими были бронтозавры и индрикотерии. Но главное преимущество палеобионики в том, что она предлагает изобретателю значительно более Простые (и потому легче воспроизводимые) прототипы.
Можно привести такой пример. Изобретатель А. М. Игнатьев, отдыхая на даче, однажды забавлялся с котенком. Котенок царапнул Игнатьева. Изобретатель задумался: а почему, собственно, когти кошки, клюв дятла, зубы белки и зайца постоянно остры? Игнатьев пришел к выводу, что самозатачивание происходит благодаря многослойной конструкции зубов. Твердые стержневые слои окружены более мягкими слоями. Во время работы твердые слои испытывают большую нагрузку, мягкие слои - меньшую, и первоначальный угол заострения не меняется. Этот принцип Игнатьев воплотил в самозатачивающихся резцах.
Изобретатель (и это очень типично!) искал наиболее совершенные прототипы. Поэтому использованный им «патент» природы оказался сложным и самозатачивающиеся режущие инструменты нашли ограниченное применение.
Прообразы, использованные Игнатьевым, совершенно никудышные грызуны по сравнению с некоторыми динозаврами. Крупные динозавры весили десятки тонн и жили до 150-200 лет; нетрудно представить, какое количество пищи перемалывали они в течение жизни…
Особенно интересны зубы зауролофов - своего рода «.копытных» динозавров. У зауролофа каждый зубной ряд состоял из трех зубов, сидевших друг над другом. Тройных буровых коронок пока нет, но уже проводятся испытания двойных коронок (их называют коронками с опережающим лезвием). Скорость бурения с помощью таких коронок повышается в полтора-два раза.
Другая особенность принадлежащего зауролофам «патента» в том, что режущие органы непрерывно растут, сменяя друг друга. Принцип этот чрезвычайно интересен. До сих пор усилия изобретателей, совершенствующих буровой инструмент, шли по привычному технике пути: «Зубья долота иступились, давайте поскорее вытащим долото и сменим его». Существуют сотни изобретений на тему «поскорее вытащить долото». С точки зрения бионики надо идти другим путем: делать зубья более износоустойчивыми, самозатачивающимися. Зауролоф подсказывает еще более интересное решение. Пусть зубья будут расположены в несколько рядов. Каждый ряд опирается на мягкую основу. Когда зубья первого ряда износятся, вращение долота за несколько оборотов разрушит мягкую основу. Долото осядет, в соприкосновение с
грунтом вступит второй ряд зубьев («вырастут новые зубы»).
Недавно советским изобретателям Ю. Буштедту, А. Атякину, Л. Лачияну, Н. Литвинову выдано авторское свидетельство №161008 на двухъярусную буровую коронку. Формула этого изобретения очень точно повторяет древний «патент» ящеров: «Двухъярусная буровая коронка, состоящая из корпуса и двух ярусов резцов, отличающаяся тем, что, с целью предохранения резцов верхнего яруса от разрушения при вводе их в работу, под временную опору резцов нижнего яруса подослана амортизирующая подушка из мягкого материала».
Современные животные по размерам значительно уступают динозаврам. Они не так прожорливы и обходятся одним комплектом зубов (иногда растущих в течение всей жизни). И только исполины-слоны имеют сменные зубы «запатентованные» когда-то зауролофами…
Мечехвоста сейчас можно встретить лишь на восточном побережье Северной Америки и Азии. Это животное было современником не только динозавров, но и ближайших своих «родственников» - трилобитов, вымерших еще в палеозойскую эру. Несмотря на постоянно менявшиеся условия жизни, мечехвост за 200 миллионов лет почти не претерпел изменений и дожил до наших дней.
Особый интерес представляют глаза мечехвоста. У него два больших сложных глаза, расположенных по бокам панциря, и два маленьких глаза спереди. Каждый глаз состоит как бы из множества отдельных линз. Глаза мечехвоста очень чувствительны, и это обстоятельство долгое время было загадкой для ученых, поскольку животное ведет ночной образ жизни и большую часть времени проводит зарывшись в песок.
Длительное изучение глаза мечехвоста привело американского ученого Хартлайна к интересному открытию. Оказалось, что клетки зрительных нервов животного соединены перекрестно. Когда одна клетка стимулируется, другая тормозится. Таким образом, на сетчатке глаза получается четкое, контрастное изображение. Это открытие привело к созданию телевизионной системы с чрезвычайно контрастным изображением, что имеет огромное значение, например, при передаче фотографий с других планет на Землю.
Дальнейшее изучение дало возможность установить,
что глаз животного улавливает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, невидимые для человека. Кроме того, американский ученый Уотерман обнаружил, что мечехвост воспринимает поляризованный свет, благодаря чему животное может ориентироваться, когда не видно солнца и звезд. Поиски продолжаются, и не исключено, что глаз мечехвоста послужит прототипом для нескольких сложных электронных приборов.
Древние животные, как правило, уступают современным в развитии головного мозга и нервной системы. В остальном они достаточно совершенны и могут служить прообразами для техники» Более того, в ряде случаев вымершие животные «по всем показателям» превосходят своих выродившихся потомков. Исчезли такие животные не потому, что были хуже устроены,- они вымерли из-за изменений климата и рельефа, а в некоторых случаях были истреблены человеком.
Надо сказать, что сами понятия «совершенный» и «несовершенный» весьма условны. То, что несовершенно с точки зрения природы, зачастую оказывается совершенным с точки зрения техники. Крылья летающих ящеров-птерозавров были несовершенны по сравнению с крылом птицы, ибо малейшее повреждение кожной перепонки препятствовало полету. Но у современной техники иной ассортимент материалов. С этими материалами целесообразнее копировать не птичьи крылья, работа которых в деталях до сих пор не поддается разгадке, а гладкие крылья таких отличных летунов, как вымерший рамфоринх или живущая и ныне, обладающая древней родословной стрекоза.
Многие из вымерших животных хорошо изучены. Зубы динозавров, например, есть почти в каждом естествен-ноисторическом музее. Изобретатели, решающие задачи, связанные с переработкой вещества (дробление, резание и т. п.), могли бы обнаружить много интересных идей, «запатентованных» природой десятки миллионов лет назад.
Вот авторское свидетельство № 189353: «Ковш экскаватора…, отличающийся тем, что с целью улучшения внедрения ковша в грунт в средней части полукруглой режущей кромки смонтированы прилегающие друг к другу зубья, центральная пара которых выдвинута по отношению к остальным». Нетрудно заметить тутзнако-
мую нам идею опережающего лезвия в сочетании со старым-престарым природным «патентом» на выдвинутую пару зубов (резцы, клыки, бивни).
Палеобионический метод отнюдь не возбраняет использовать в качестве прототипов и современных животных. Надо лишь выбирать наиболее древние прототипы.
Бионика давала ощутимые результаты именно тогда, когда в качестве прообразов бессознательно использовались реликтовые или, во всяком случае, очень древние животные. Так, одна из давших практические результаты работ - прибор, воспроизводящий «инфраухо» медузы. А медузы - древнейшие животные, они плавали еще в кембрийских морях.
Судостроители, копировавшие кита, в сущности, обязаны своим успехом невольному применению палеобио-ники: задолго до появления китов такую же форму тела имели ихтиозавры - стеноптеригий и звринозавр. Рети-нотрон (прибор, способный «замечать» только движущиеся предметы) считается имитацией глаза лягушки. Однако приоритет на это изобретение принадлежит тираннозавру.
Еще один пример, когда древние животные решают сложную задачу простыми способами,- антифляттерные приспособления стрекозы. Приспособления эти очень просты: на концах передней кромки крыльев имеется хитиновое утолщение - птеростигма, гасящая вредные колебания крыла. Инженеры самостоятельно пришли к той же идее. Достаточно было запаять в крыло (в том месте, где у стрекозы находится птеростигма) свинцовую гирю, как опасность фляттера исчезла.
И вот что интересно: самые молодые и быстрокрылые «модели» стрекоз не имеют птеростигмы. Если бы мы выбрали наиболее совершенные прототипы, «патент» на птеростигму так и остался бы незамеченным, ведь птеростигма есть только у таких «устаревших конструкций», как сетчатокрылые и верблюдки.
Вообще, рассматривая живые прототипы в их историческом развитии, можно обнаружить, что один «патент» природы часто заменяется другим.
Древние жуки-плавунцы имели каплевидную обтекаемую форму. Но их потомки отказались от этой (традиционной для техники) формы. Туловища современных плавунцов, узкие в передней части, сзади расширяются.
Вероятно, это очень эффективная форма. Опытами установлено, что удаление двух крохотных выступов в расширенной части туловища плавунца повышает сопротивление движению на 122%. Парадокс: площадь поперечного сечения «фюзеляжа» уменьшается, а сопротивление возрастает!
Особенно полезен палеобионический подход в тех случаях, когда приходится решать изобретательские задачи, связанные с малоизученными процессами. Здесь природные прототипы могут стать главными ориентирами. Это подтверждает, например, история изобретения антикавитациониых покрытий гидротехнических сооружений.
Кавитационное разрушение бетона плотин - явление, еще недостаточно исследованное. Многочисленные способы защиты, предлагавшиеся различными изобретателями, оказывались либо слишком дорогими, либо слишком ненадежными. Удачное решение задачи нашел Виталий Ильич Сахаров. Вот, как об этом рассказано в очерке, посвященном его изобретению:
«Однажды на берегу Черного моря Виталий Ильич заметил, что камни и валуны, покрытые водорослями или мхами, от ударов волн практически не разрушаются. Голые камни, лежащие совсем рядом, были испещрены бороздами и ямками. Нежный мох уберегал камень от разрушения. Отсюда был один шаг до технического воплощения идеи, уже осуществленной в природе» *.
Авторское свидетельство № 279443, полученное В. И. Сахаровым, действительно точно воспроизводит древний «патент» природы: «Кавитационностойкое покрытие поверхностей, например, бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений, включающее защитный слой, отличающееся тем, что, с целью предотвращения • непосредственного контакта кавитационных ударов с телом сооружения и образования прослойки неподвижной воды, защитный слой выполнен со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями, волокнами или пластинками».
Есть, однако, еще один «патентный фонд», в котором изобретений так много, что ознакомиться с ними человечеству не удалось за все время существования. Это п а-тентный фонд природы.
Человек издавна пользовался идеями, «запатентованными» природой. Количество изобретений, имеющих прямые прообразы в природе, вероятно, измеряется десятками тысяч. И все же пока освоена ничтожная часть «изобретений» природы, лишь те, которые лежали на виду.
Еще недавно господствовало мнение, будто одни и те же задачи в технике и в природе решаются разными путями. Действительно, технические решения чаще всего не похожи на решения природные. То, что в природе достигается тихо и как-то незаметно, в технике нередко связано с использованием огромных температур и давлений, с колоссальным расходом энергии, словом, с «большими потенциалами». Эти «.большие потенциалы» выглядят куда более внушительными, чём едва заметные приспособления каких-то букашек.
Считалось азбучной истиной, что копирование природы лежит в стороне от главной линии развития техники. Поэтому изобретатели, решая новые технические задачи, обычно даже не делали попыток использовать ответы, уже полученные природой.
Какой же путь предпочтительнее - традиционно-технический или тот, по которому развивались «живые машины»?
Сравним, например, крыло самолета и крыло птицы. Крыло современного самолета - одно из наивысших достижений техники. Но ни один самолет не может соперничать с птицами по количеству поднимаемого груза на единицу затрачиваемой мощности. Если бы крылья современных самолетов были машущими, они поднимали бы 120-130 кг груза на 1 л. с, развиваемую двигателями. А пока крылья наиболее совершенных машин способны поднять лишь вдесятеро меньший удельный груз.
Особенно велико превосходство природы в конструировании «контрольно-измерительных приборов». Кузнечик располагает слуховой аппаратурой, улавливающей колебания, амплитуда которых равна половине диаметра атома водорода! Не удивительно, что именно приборостроители первыми пришли к выводу о необходамости планомерно изучать и переносить в свою практику принципы, используемые природой. Так возникла бионика - наука, решающая инженерные проблемы приемами, заимствованными у природы.
Вначале бионика занималась лишь моделированием органов чувств. Сейчас круг решаемых ею проблем значительно расширился: бионика берется за задачи, относящиеся к самым различным отраслям техники. Общим является лишь метод*решения - использование прообразов природы.
В сущности, восьмой шаг оперативной стадии АРИЗ можно было бы сформулировать так: надо подойти к решению изобретательской задачи с позиций бионики. Теоретически здесь все просто-изобретатель заимствует готовое решение. Практически же, прежде чем позаимствовать, надо найти подходящий природный прообраз. И тут оказывается, что при всей теоретической бесспорности этого приема практически он может быть использован лишь в редчайших случаях.
На семинарах по методике изобретательства были решены сотни учебных и производственных задач, но ни разу в качестве подсказки не использовались природные прообразы! Правда, после решения задачи нередко удавалось «подобрать» для найденной идеи природный аналог. Это укрепляло уверенность в том, что решение правильное, но не больше.
В чем же дело?
Казалось бы, появление бионики должно было сразу дать каскад ошеломляющих изобретений во всех отраслях техники. Но отдача бионики пока заметна лишь в кибернетике. Здесь бионика стала надежным компасом исследователя. В других отраслях техники живые прототипы используются не чаще, чем в те времена, когда вместо нового слова «бионика» употреблялось выражение «копирование природных прообразов».
Достаточно прочесть несколько книг и статей по бионике, чтобы обнаружить один и тот же весьма скромный набор примеров: ультразвуковая локация у летучих мышей; жужжальца-гироскопы у мух; китообразная форма судов; кожа дельфина, снижающая сопротивление воды при движении; искусственное «ухо медузы», предупреждающее о приближении шторма…
И вот что характерно: сначала, как правило, делается изобретение, а потом отыскивается его живой прототип. Так, например, принцип метода снижения сопротивления бш1 предложен Крамером еще в 1938 году, а лишь в 1955 году тот же Крамер обнаружил, что дельфины «применили его идею».,.
Представьте себе патентную библиотеку, в которой миллиарды самых различных патентов расставлены по полкам в неизвестном для вас порядке. Именно такой видит «патентную библиотеку» природы изобретатель, работающий над решением новой технической задачи.
Н$деди*ой методики выбора живых прототипов пока нет. Поэтому в большинстве случаев изобретателю оказывается проще самому найти решение, чем отыскать подходящий патент природы.
И все-таки ддеративная стадия АРИЗ включает бионический ш$г. Есть два подхода, облегчающие ориентировку в гигантском патентном фонде природы!
1. Нужно искать прототипы среди древних животных: старые патенту природы проще и в то же вр^дея достаточно эффективны.
2. Нужно рассматривать общие тенденции в развитии патентов Природы. Найти готовое решение очень трудно, но почти всегда можно выявить тенденции развития природных аналогов.
Поговорим об этом подробнее.
В Древней Греции было создано великолепное по тем временам изобретение: тараны, которыми разбивали ворота осажденной крепости, стали делать с торцами в виде
бараньих лбов. Такие торцы, как свидетельствуют историки, отлично воспринимали ударную нагрузку…
Неведомые древнегреческие бионики, создавая таран с бараньим лбом, вероятно, рассуждали так: «Нужно, чтобы бревно не расщеплялось и не сплющивалось при ударе. Где нам приходилось видеть что-нибудь подобное? На пастбищах! Бараны сталкиваются лбами - и ничего! Отличный прототип, лучше не придумаешь…»
По этому методу до сих пор осуществляется выбор живых прототипов: стараются отыскать возможно более совершенный «оригинал». Допустим, биолог укажет инженеру достаточно совершенный живой прототип. Хорошо? Нет. Ибо такие прототипы, как правило, сложны. Детально разобраться в их устройстве очень трудно, а построить копию порой просто невозможно.
Именно так обстоит дело с попытками скопировать кожу дельфина. В этом патенте природы и сегодня многое остается загадочным. Постепенно выясняется, что дельфин обладает тонкой и сложной системой кожного демпфирования. Нервные окончания в каждой точке кожного покрова улавливают изменение давления и передают соответствующие сигналы в центральную нервную систему, которая регулирует демпфирующую работу кожи. Практически невозможно и невыгодно копировать столь сложный прототип.
Выбирая наиболее совершенные природные прототипы, мы пользуемся последними томами патентной библиотеки природы. Не приходится удивляться, что многое оказывается непонятно: ведь мы читаем с конца!
Между тем для решения подавляющего большинства задач совсем не обязательно использовать совершенные, но слишком сложные прообразы. Гораздо перспективнее брать в качестве прообразов сравнительно менее совершенные, но зато более простые «патенты» - древних животных, изучаемых палеонтологией.
Палеобионический метод прежде всего намного расширяет «патентный фонд» природы. Среди ныне существующих животных нет, например, таких больших, какими были бронтозавры и индрикотерии. Но главное преимущество палеобионики в том, что она предлагает изобретателю значительно более Простые (и потому легче воспроизводимые) прототипы.
Можно привести такой пример. Изобретатель А. М. Игнатьев, отдыхая на даче, однажды забавлялся с котенком. Котенок царапнул Игнатьева. Изобретатель задумался: а почему, собственно, когти кошки, клюв дятла, зубы белки и зайца постоянно остры? Игнатьев пришел к выводу, что самозатачивание происходит благодаря многослойной конструкции зубов. Твердые стержневые слои окружены более мягкими слоями. Во время работы твердые слои испытывают большую нагрузку, мягкие слои - меньшую, и первоначальный угол заострения не меняется. Этот принцип Игнатьев воплотил в самозатачивающихся резцах.
Изобретатель (и это очень типично!) искал наиболее совершенные прототипы. Поэтому использованный им «патент» природы оказался сложным и самозатачивающиеся режущие инструменты нашли ограниченное применение.
Прообразы, использованные Игнатьевым, совершенно никудышные грызуны по сравнению с некоторыми динозаврами. Крупные динозавры весили десятки тонн и жили до 150-200 лет; нетрудно представить, какое количество пищи перемалывали они в течение жизни…
Особенно интересны зубы зауролофов - своего рода «.копытных» динозавров. У зауролофа каждый зубной ряд состоял из трех зубов, сидевших друг над другом. Тройных буровых коронок пока нет, но уже проводятся испытания двойных коронок (их называют коронками с опережающим лезвием). Скорость бурения с помощью таких коронок повышается в полтора-два раза.
Другая особенность принадлежащего зауролофам «патента» в том, что режущие органы непрерывно растут, сменяя друг друга. Принцип этот чрезвычайно интересен. До сих пор усилия изобретателей, совершенствующих буровой инструмент, шли по привычному технике пути: «Зубья долота иступились, давайте поскорее вытащим долото и сменим его». Существуют сотни изобретений на тему «поскорее вытащить долото». С точки зрения бионики надо идти другим путем: делать зубья более износоустойчивыми, самозатачивающимися. Зауролоф подсказывает еще более интересное решение. Пусть зубья будут расположены в несколько рядов. Каждый ряд опирается на мягкую основу. Когда зубья первого ряда износятся, вращение долота за несколько оборотов разрушит мягкую основу. Долото осядет, в соприкосновение с
грунтом вступит второй ряд зубьев («вырастут новые зубы»).
Недавно советским изобретателям Ю. Буштедту, А. Атякину, Л. Лачияну, Н. Литвинову выдано авторское свидетельство №161008 на двухъярусную буровую коронку. Формула этого изобретения очень точно повторяет древний «патент» ящеров: «Двухъярусная буровая коронка, состоящая из корпуса и двух ярусов резцов, отличающаяся тем, что, с целью предохранения резцов верхнего яруса от разрушения при вводе их в работу, под временную опору резцов нижнего яруса подослана амортизирующая подушка из мягкого материала».
Современные животные по размерам значительно уступают динозаврам. Они не так прожорливы и обходятся одним комплектом зубов (иногда растущих в течение всей жизни). И только исполины-слоны имеют сменные зубы «запатентованные» когда-то зауролофами…
Мечехвоста сейчас можно встретить лишь на восточном побережье Северной Америки и Азии. Это животное было современником не только динозавров, но и ближайших своих «родственников» - трилобитов, вымерших еще в палеозойскую эру. Несмотря на постоянно менявшиеся условия жизни, мечехвост за 200 миллионов лет почти не претерпел изменений и дожил до наших дней.
Особый интерес представляют глаза мечехвоста. У него два больших сложных глаза, расположенных по бокам панциря, и два маленьких глаза спереди. Каждый глаз состоит как бы из множества отдельных линз. Глаза мечехвоста очень чувствительны, и это обстоятельство долгое время было загадкой для ученых, поскольку животное ведет ночной образ жизни и большую часть времени проводит зарывшись в песок.
Длительное изучение глаза мечехвоста привело американского ученого Хартлайна к интересному открытию. Оказалось, что клетки зрительных нервов животного соединены перекрестно. Когда одна клетка стимулируется, другая тормозится. Таким образом, на сетчатке глаза получается четкое, контрастное изображение. Это открытие привело к созданию телевизионной системы с чрезвычайно контрастным изображением, что имеет огромное значение, например, при передаче фотографий с других планет на Землю.
Дальнейшее изучение дало возможность установить,
что глаз животного улавливает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, невидимые для человека. Кроме того, американский ученый Уотерман обнаружил, что мечехвост воспринимает поляризованный свет, благодаря чему животное может ориентироваться, когда не видно солнца и звезд. Поиски продолжаются, и не исключено, что глаз мечехвоста послужит прототипом для нескольких сложных электронных приборов.
Древние животные, как правило, уступают современным в развитии головного мозга и нервной системы. В остальном они достаточно совершенны и могут служить прообразами для техники» Более того, в ряде случаев вымершие животные «по всем показателям» превосходят своих выродившихся потомков. Исчезли такие животные не потому, что были хуже устроены,- они вымерли из-за изменений климата и рельефа, а в некоторых случаях были истреблены человеком.
Надо сказать, что сами понятия «совершенный» и «несовершенный» весьма условны. То, что несовершенно с точки зрения природы, зачастую оказывается совершенным с точки зрения техники. Крылья летающих ящеров-птерозавров были несовершенны по сравнению с крылом птицы, ибо малейшее повреждение кожной перепонки препятствовало полету. Но у современной техники иной ассортимент материалов. С этими материалами целесообразнее копировать не птичьи крылья, работа которых в деталях до сих пор не поддается разгадке, а гладкие крылья таких отличных летунов, как вымерший рамфоринх или живущая и ныне, обладающая древней родословной стрекоза.
Многие из вымерших животных хорошо изучены. Зубы динозавров, например, есть почти в каждом естествен-ноисторическом музее. Изобретатели, решающие задачи, связанные с переработкой вещества (дробление, резание и т. п.), могли бы обнаружить много интересных идей, «запатентованных» природой десятки миллионов лет назад.
Вот авторское свидетельство № 189353: «Ковш экскаватора…, отличающийся тем, что с целью улучшения внедрения ковша в грунт в средней части полукруглой режущей кромки смонтированы прилегающие друг к другу зубья, центральная пара которых выдвинута по отношению к остальным». Нетрудно заметить тутзнако-
мую нам идею опережающего лезвия в сочетании со старым-престарым природным «патентом» на выдвинутую пару зубов (резцы, клыки, бивни).
Палеобионический метод отнюдь не возбраняет использовать в качестве прототипов и современных животных. Надо лишь выбирать наиболее древние прототипы.
Бионика давала ощутимые результаты именно тогда, когда в качестве прообразов бессознательно использовались реликтовые или, во всяком случае, очень древние животные. Так, одна из давших практические результаты работ - прибор, воспроизводящий «инфраухо» медузы. А медузы - древнейшие животные, они плавали еще в кембрийских морях.
Судостроители, копировавшие кита, в сущности, обязаны своим успехом невольному применению палеобио-ники: задолго до появления китов такую же форму тела имели ихтиозавры - стеноптеригий и звринозавр. Рети-нотрон (прибор, способный «замечать» только движущиеся предметы) считается имитацией глаза лягушки. Однако приоритет на это изобретение принадлежит тираннозавру.
Еще один пример, когда древние животные решают сложную задачу простыми способами,- антифляттерные приспособления стрекозы. Приспособления эти очень просты: на концах передней кромки крыльев имеется хитиновое утолщение - птеростигма, гасящая вредные колебания крыла. Инженеры самостоятельно пришли к той же идее. Достаточно было запаять в крыло (в том месте, где у стрекозы находится птеростигма) свинцовую гирю, как опасность фляттера исчезла.
И вот что интересно: самые молодые и быстрокрылые «модели» стрекоз не имеют птеростигмы. Если бы мы выбрали наиболее совершенные прототипы, «патент» на птеростигму так и остался бы незамеченным, ведь птеростигма есть только у таких «устаревших конструкций», как сетчатокрылые и верблюдки.
Вообще, рассматривая живые прототипы в их историческом развитии, можно обнаружить, что один «патент» природы часто заменяется другим.
Древние жуки-плавунцы имели каплевидную обтекаемую форму. Но их потомки отказались от этой (традиционной для техники) формы. Туловища современных плавунцов, узкие в передней части, сзади расширяются.
Вероятно, это очень эффективная форма. Опытами установлено, что удаление двух крохотных выступов в расширенной части туловища плавунца повышает сопротивление движению на 122%. Парадокс: площадь поперечного сечения «фюзеляжа» уменьшается, а сопротивление возрастает!
Особенно полезен палеобионический подход в тех случаях, когда приходится решать изобретательские задачи, связанные с малоизученными процессами. Здесь природные прототипы могут стать главными ориентирами. Это подтверждает, например, история изобретения антикавитациониых покрытий гидротехнических сооружений.
Кавитационное разрушение бетона плотин - явление, еще недостаточно исследованное. Многочисленные способы защиты, предлагавшиеся различными изобретателями, оказывались либо слишком дорогими, либо слишком ненадежными. Удачное решение задачи нашел Виталий Ильич Сахаров. Вот, как об этом рассказано в очерке, посвященном его изобретению:
«Однажды на берегу Черного моря Виталий Ильич заметил, что камни и валуны, покрытые водорослями или мхами, от ударов волн практически не разрушаются. Голые камни, лежащие совсем рядом, были испещрены бороздами и ямками. Нежный мох уберегал камень от разрушения. Отсюда был один шаг до технического воплощения идеи, уже осуществленной в природе» *.
Авторское свидетельство № 279443, полученное В. И. Сахаровым, действительно точно воспроизводит древний «патент» природы: «Кавитационностойкое покрытие поверхностей, например, бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений, включающее защитный слой, отличающееся тем, что, с целью предотвращения • непосредственного контакта кавитационных ударов с телом сооружения и образования прослойки неподвижной воды, защитный слой выполнен со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями, волокнами или пластинками».