ТЕХНОЛОГИЯ ТВОРЧЕСТВА
Один идет по темному лабиринту ощупью - может быть , на что - нибудь полезное наткнется , а может быть , лоб разобьет . Другой возьмет хоть маленький фонарик и светит себе в темноте . И п о мере того , как он идет , его фонарь разгорается все ярче , наконец , превращается в электрическое солнце , которое ему все кругом освещает , все разъясняет . Так я вас спрашиваю , где ваш фонарь !
Д . И . Менделеев
ИГОЛКА В СТОГЕ СЕНА
Теория изобретательства изучает изобретательское творчество с целью создать эффективные методы решения изобретательских задач.
В этом определении присутствует мысль, которая может показаться «еретической»: что же - существующие методы плохи и нуждаются в замене? Но ведь, пользуясь этими методами, люди сделали величайшие изобретения! На этих методах основана современная индустрия изобретений, дающая ежегодно многие десятки тысяч новых технических идей. Чем же плохи существующие методы?
Не будем торопиться с ответом на этот вопрос, посмотрим сначала, как обычно решается изобретательская задача.
Вообще-то изобретатели не очень охотно и не часто рассказывают о путях, которыми они пришли к новой технической идее. Одно из счастливых исключений - книжка Б. С. Егорова «Секрет НСЕ» *.
Борис Сергеевич Егоров, талантливый изобретатель, подробно и объективно описывает историю создания намоточного станка. Воспользуемся этим и проследим ход мыслей изобретателя.
Итак, прежде всего - задача.
«Представьте себе большую электронно-вычислительную машину, в глубине которой несколько тысяч мельчайших кольцевых трансформаторов. Каждый из них имеет отверстие всего лишь в 2 миллиметра. На каждом из таких колечек намотан тончайший, тоньше человеческого волоса, проводок, покрытый шелковой оболочкой. Это, разумеется, надо было производить вручную, не повредив нежной изоляции. То был изнурительный труд…»
Задача ясна: есть маленькое колечко, сделанное из
феррита; нужно быстро и аккуратно обмотать это колечко тонкой изолированной проволокой.
Несколькими годами раньше Б. С, Егоров успешно решил подобную задачу - тогда требовалось механизировать намотку дросселей телефонных фильтров. Внешне обе задачи совершенно подобны: есть кольцо и- есть провод, которым нужно обмотать это кольцо. Но крохотное ферритовое колечко значительно меньше, чем кольцо телефонного дросселя, и это принципиально меняло задачу.
Рис. 1. Наматывать провод «Должен сказать, что задана колечки приходилось ча, которую предстояло раз-вручную- с помощью шпули, решить, вначале не показалась
мне очень трудной. Но когда я вплотную подошел к ней, это мнение пришлось изменить.
Трудность состояла прежде всего в том, что колечко, на которое следует наматывать провод, было размером лишь в 2 миллиметра».
Действительно, в БЭСМ-2, например, используются ферритовые тороиды марки К-28, имеющие такие размеры: внешний диаметр - 3,1 мм, внутренний диаметр - 2,0 мм, высота- 1,2 мм. В запоминающем устройстве той же БЭСМ-2 применяются еще более миниатюрные тороиды марки ВТ-1 с внутренним диаметром 1,31 мм.
Обмотку этих колечек вели вручную с помощью шпули. Шпуля представляет собой, в сущности, иглу, несущую в себе запас провода. На рис. 1 изображены в увеличенном виде и колечко и шпуля. Поперечное сечение колечка (тороида) может быть квадратным, прямоугольным или круглым - это несущественно.
Разумеется, задача сильно упростилась бы, будь колечко составным. Но ферритовые тороиды изготовляются методами порошковой металлургии: материал прессуется, а затем спекается. Никакая обмотка не выдержит применяемых при этом давлений и температур, поэтому
«Какой же величины должна быть шпулька? Как игольное ушко? Сразу стало ясно, что от шпульки, с помощью которой осуществлялась укладка провода на моем первом станке, придется отказаться, она была бы слишком мала. Это усложняло решение вопроса. А нельзя ли обойтись без нее, заменить ее, использовать совершенно новый принцип намотки? Но каким должен быть этот принцип? Вопросы не давали мне покоя…
– А не применить ли здесь маятник?
Это мнение разделяли многие товарищи, с которыми мне приходилось советоваться. И я задумал решить задачу с помощью маятника. Принцип был прост: два маятника, а между ними кольцо; на маятнике игла; правый маятник иглой продевает провод сквозь кольцо и подводит иглу к левому. Кольцо при этом поднимается; игла идет обратно, и все повторяется сначала. Так и осуществляется намотка провода на кольцо. Удивительно просто, и при этом все делается без шпульки».
Была построена модель станка. Ее испытания дали отрицательные результаты - провод натягивался лишь тогда, когда игла находилась в крайнем положении, когда же она была в движении, провод провисал, поэтому витки ложились как попало.
«Я заново, с удвоенной энергией взялся за работу. Попробовал иначе разместить маятники, иначе расположить кольца, и так и этак пытался изменить ход работы маятников, но нить все равно провисала. Я проделал свыше трехсот экспериментов. В конце концов пришел к заключению, что от маятников надо отказаться.
Стало ясно, что следует искать иной принцип работы машины. Но какой? Перебрал несколько разных вариантов, но ни один из них не подходил. Тогда возникла мысль осуществить намотку провода с помощью сжатого воздуха, который выполнял бы роль маятников. Ту же самую иглу будет толкать через кольцо не маятник, а сжатый воздух».
Егоров построил еще одну модель станка. Но сжатый воздух не помог: провод провисал, как и в маятниковом Станке.
«И тут в голову пришла мысль, что сам принцип намотки провода на кольцо не годится. Ведь во всех вариантах принцип был один: игла прошивает кольцо. А она не дает возможности держать провод в натяжении. Следовательно, надо отказаться от использования самой иглы и предложить взамен новый, совершенно новый принцип. Но что можно предложить взамен? На этот вопрос не мог никто ответить».
Шло время. Егоров не переставал думать о задаче. И вот однажды появилась новая идея. Случилось это в электричке.
«Я перевожу взгляд на моих соседей, и вдруг мой взор привлекает старушка, которая вяжет кружево. В руках у нее крючок. Она совершает движение рукой - и крючок делает колечко, еще движение рукой - и еще колечко. Я машинально смотрю, не отрывая глаз, на руки вязальщицы. Колечко… Колечко… Мысленно повторяю движение крючка раз, еще раз и еще. Потом я уже представляю себе движение крючка не в руках старушки, а в моем станке…
А что, если вместо шпульки и маятников применить в станке крючки? Крючок захватит провод, который пройдет через колечко. А специальной пружинкой можно будет тогда поддержать провод в натянутом состоянии. Я достаю иглу с ниткой, делаю из иглы крючок, и пытаюсь повторить движения старушки. Раз…- другой. Неужели в этом обыкновенном крючке секрет намоточного станка, неужели найдена разгадка казавшейся неразрешимой задачи? Да, так и есть. Витки ложатся на кольцо ровно. Это и есть тот самый принцип, который я так долго искал. С помощью крючков можно осуществить крепкую, надежную намотку витков на кольцо».
Так появился принцип намоточного станка - знаменитого НСЕ.
Что можно сказать о путях, которыми шел изобретатель?
Некоторые особенности сразу бросаются в глаза. Поиски велись, в сущности, наугад. Или, как говорят психологи, методом «проб и ошибок». Возникала идея: «А если сделать так?» Затем следовала ее теоретическая или практическая проверка. Одна идея оказывалась неудачной, выдвигалась вторая, третья…
Схематически этот метод изображен на рис. 2. От точки, которую мы назовем «Задача», изобретатель должен попасть в точку «Решение». Где именно находится этаточка, заранее, конечно, неизвестно. Изобретатель создает определенную поисковую концепцию ПК, т. е. выбирает направление поисков («И я задумал решить задачу с помощью маятника»). Начинаются «броски» в выбранном направлении (они условно обозначены стрелками): «А если попробовать так?» А потом становится ясно, что неправильна вся поисковая концепция - поиски идут не в том направлении («В конце концов пришел к заключению, что от маятников надо отказаться»). Изобретатель возвращается к задаче, выдвигает новую поисковую концепцию («Тогда возникла мысль осуществить намотку провода с помощью сжатого воздуха…») и начинает новую серию «бросков».
В практике количество попыток обычно намного больше, чем изображено на схеме. Егоров говорит о трехстах модификациях одной только первой модели станка, вообще же при поисках решения методом «проб и ошибок» количество попыток очень велико. Требуются тысячи, иногда и десятки тысяч «а если?», чтобы нащупать удачное решение.
И еще одна очень важная особенность. На схеме стрелки расположены гуще в направлении, противоположном «Решению». Это, конечно, не случайно. Дело в том, что пробы не так хаотичны, как кажется на первый взгляд. Приступая к поискам, изобретатель опирается на свой предыдущий опыт. Егоров однажды уже создал станок для намотки телефонных дросселей, и при решении новой задачи мысль сначала неизбежно шла в привычном направлении: нужна - как и в прошлый раз - шпуля, но она должна быть очень тонкой; заменим ее иглой, т. е. той же шпулей, но без запаса провода.
В сущности, безуспешность почти всех попыток вызвана стремлением так или иначе использовать иглу. Эта первоначальная тенденциозность показана на схеме «вектором инерции» ВИ, выходящим из точки «Задача» и направленным в сторону от «Решения». Большим шагом вперед была мысль, что от иглы нужно вообще отказаться…
* * *
Мы еще продолжим разговор о методе «проб и ошибок». Но у читателя уже сейчас есть отличная возможность самому испытать этот метод.
3 а д а ч а 1
Станок Егорова хорошо справляется с намоткой колечек, если их внутренний диаметр не менее 2 мм. Однако миниатюризация электронных машин требует более мелких колечек. Как и раньше, их обмотку приходится вести вручную. Как ее механизировать? Попытайтесь решить эту задачу. Без теории изобретательства.
Задача предельно наглядна: имеется колечко, сделанное из феррита; внутренний диаметр колечка, скажем, 0,5 мм. Имеется также тонкая изолированная проволока. Надо механизировать намотку.
Количество витков провода, вообще говоря, зависит от назначения тороида и меняется в широких пределах: в тороидальных трансформаторах их обычно несколько сотен, тороидальные элементы запоминающих устройств имеют всего по три витка. Допустим для конкретности, что на каждое колечко надо нанести двадцать витков проволоки.
Два дополнительных соображения. Первое: задача учебная, поэтому нельзя ее изменять, т. е. предлагать решения, связанные с отказом от применения ферритовых колечек. Второе: способ намотки может быть каким угодно, однако он должен обеспечивать высокую производительность: в запоминающем устройстве электронной машины используются сотни тысяч и даже миллионы колечек.
Для решения этой задачи не нужны какие-либо узкоспециальные знания. Но найти хорошее решение методом «проб и ошибок» вряд ли удастся даже опытному изобретателю. По правде сказать, я уверен - вы, читатель, не решите задачу. Тут довольно простой расчет. Предположим, вы не менее талантливы, чем Эдисон. Но ведь и Эдисону, по его собственному признанию, приходилось работать над одним изобретением в среднем семь лет. По крайней мере треть этого времени уходила на поиски идеи.
Вот что писал изобретатель Николай Тесла, работавший одно время в лаборатории Эдисона: «Если бы Эдисону понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на то, чтобы определить наиболее вероятное место ее нахождения. Он немедленно с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не нашел бы предмета своих поисков. Его методы крайне неэффективны, он может затратить огромное количество времени и энергии и не достигнуть ничего, если только ему не поможет счастливая случайность. Вначале я с печалью наблюдал за его деятельностью, понимая, что небольшие теоретические знания и вычисления сэкономили бы ему тридцать процентов труда. Но он питал неподдельное презрение к книжному образованию и математическим знаниям, доверяясь всецело своему чутью изобретателя и здравому смыслу американца».
Вы вряд ли решите задачу о намотке, но все-таки сделайте несколько попыток. В дальнейшем мы посмотрим, как эта задача решается с помощью, методики изобретательства. И тогда вы сможете, основываясь на своем опыте, сопоставить поиски решения путем «проб и ошибок» с планомерными методами, о которых рассказывает эта книга.
* * *
Намоточный станок создан талантливым рабочим-изобретателем. Ну, а если поиски решения ведет ученый? Повышается ли тогда эффективность метода «проб и ошибок»?
Некоторое время назад в журнале «Изобретатель и рационализатор» была опубликована статья кандидата технических наук Е. Веретенникова.
Это еще один из тех редких случаев, когда изобретатель говорит о путях, которыми он пришел к новой идее. Задача, решенная Е. Веретенниковым, не отличается особой сложностью, а наличие у изобретателя ученой степени делает этот случай достаточно показательным.
Вот что рассказывает изобретатель:
«Наш Куйбышевский индустриальный институт сотрудничает с Куйбышевским долотным заводом. Завод выпускает долота. Мне кажется, любой, кто попадет на участок сборки шарошечных долот, обязательно подумает: «Нельзя ли делать это как-нибудь по-иному?» Картина, мягко говоря, малрприглядная. Цапфу лапы долота обмазывают густой солидолово-графитной смазкой. Эта смазка играет роль клея. Она удерживает на двух горизонтальных площадках - дорожках качения цапфы - устанавливаемые там ролики подшипника, которые иначе соскальзывали бы в разные стороны. Когда два ряда роликов составлены, на цапфу надевают шарошку. Сборка производится обнаженными руками. На кожу минеральные масла действуют вредно. -Кроме того, в этой массе иногда попадаются острые металлические занозы, ранящие руки сборщика. Труд тяжелый, требует высокой квалификации.
Подобный тип сборки, когда необходимо предварительное удерживание деталей в определенном положении друг к другу, весьма распространен. Для промежуточной фиксации пользуются струбцинами, стяжными хомутами, обоймами, применяют временное прихватывание деталей пайкой или сваркой, клеящими веществами или, как в данном случае, густыми липкими смазками.
Сборка шарошечных долот заставила меня задуматься над тем, как, например, удерживать ролики на цапфе при надевании сверху шарошки?»
Итак, задача состоит в следующем.
Для сборки секции бурового долота нужно сначала обложить шарошку двумя рядами роликов. Роликов в ряду несколько десятков. Понятно, что придерживать руками одновременно все ролики невозможно. Значит, нужно найти какой-то способ (вместо «приклеивания» густой мазью), позволяющий удерживать ролики на дорожках качения цапфы до момента, пока цапфа не вставлена в шарошку. Способ этот должен быть простым, производительным, допускающим в дальнейшем автоматизацию сборки.
«Первое, что пришло в голову,- рассказывает далее изобретатель,- была, конечно, веревка. Связать! Но как вытащить ее после сборки? Что ж, можно связать такой пленкой, которая в дальнейшем бесследно растает, растворившись в масле. Пожалуй, это выход… если не считать, что автоматизация сборки ничуть не упрощена.
Дальнейшие раздумья привели к решению, которое оказалось удачным. Надо прилеплять ролики к цапфе, но не клеем и никаким другим веществом. Их будут удерживать магнитные силы!»
Скажем сразу: Е. Веретенников сделал хорошее изобретение. История этого изобретения - плохой роман с хорошим концом. В самом деле, задача возникла давно, и тогда уже существовали средства, необходимые для ее решения. Изобретение запоздало по меньшей мере ла20-30 лет! Е. Веретенников сам подчеркивает, что каждому, кто попадает на участок сборки, обязательно бросится в глаза необходимость усовершенствовать, сборку долот. Задача словно кричала: «Пожалуйста, обратите на меня внимание! Ведь так важно и так нетрудно найти решение!» Но люди проходили мимо…
Это не случайность: в каждой отрасли производства имеется большое число изобретений, которые нужно и можно сделать (при современном развитии науки и техники), но которые еще не сделаны.
Посмотрим теперь, как шла работа изобретателя. Первая мысль-«конечно, веревка». Тут примечательны и «конечно» и «веревка». Исходный пункт размышлений - существующие конструкции (стяжные хомуты и т. д.). Использовать хомут - «металлическую верев-ку» - невозможно. Отсюда мысль: применить «просто веревку».
Идея «веревки» настолько сковывала воображение изобретателя, что он никак не хотел с ней расставаться. И следующий шаг - снова «веревка» (вот он, «вектор инерции»!), на этот раз пластмассовая… Понятно, что и этот современный вариант «веревки» тоже не привел к решению задачи.
Последовали дальнейшие раздумья, которые наконец дали правильное решение: надо использовать магнитные силы.
Между тем задача эта из числа тех, в которых точная формулировка вопроса автоматически дает нужный ответ. Творчество здесь состоит в самом выборе задачи! Требуется, повторяем, чтобы ролики, укладываемые при сборке вокруг цапфы, не падали до тех пор, пока цапфа не вставлена в шарошку. Металлическая деталь должна прижиматься - на время - к другой металлической детали.
Достаточно так поставить задачу, и из десяти человек, обладающих знаниями в объеме восьми классов средней школы, пять сразу же ответят; «Магнит!»
Можно еще уточнить задачу: металлическая деталь должна «без ничего» (идеальный случай) прижиматься к другой детали (не сильно, только для уравновешивания своего веса). В этом случае из десяти ответов восемь или девять будут правильными.
В дальнейшем, когда мы ближе познакомимся с методикой изобретательства, станут очевидными и другие ошибки, допущенные при решении этой задачи. Но уже сейчас можно сделать некоторые выводы:
1. Изобретатель шел от известного к неизвестному: взял в качестве прообраза уже существующее приспособление (металлический хомут) и попытался его видоизменить. Это дало серию неудачных решений.
Так получилось и у Егорова. Может быть, «вектор инерции» всегда направлен в сторону от решения?…
2. Правильное решение потребовало от изобретателя принципиально иного подхода. Каков был путь к этому новому принципу, от изобретателя ускользнуло. Он уверенно и логично объясняет, как происходил переход от одной неудачной идеи к другой; а затем - разрыв и вместо объяснения ничего не значащие слова: «дальнейшие раздумья привели…».
Вспомним, что Егоров тоже не объясняет, почему правильная идея не появилась раньше.
3. Насколько удачен итог решения, настолько же несовершенен метод поисков этого решения.
Магнитная сборка могла быть изобретена значительно раньше. Давно назрела экономическая необходимость в этом изобретении, и давно появилась техническая возможность его сделать. Но изобретатели либо не замечали задачи, либо не брались за нее всерьез. Был допущен своеобразный «простой» задачи. И расплачиваться за него приходилось дорого: тяжелая и грязная работа годами выполнялась вручную.
Конечно, если говорить об исторически большой дистанции, изобретения появляются закономерно. Так, пароход не мог быть создан раньше появления парового двигателя, а паровой двигатель изобрели, когда возникла экономическая необходимость. Однако зачастую изобретения опаздывают без уважительных причин: есть все объективные условия, чтобы изобрести нечто, а это нечто никак не изобретается…
Закономерный ход исторического развития техники вовсе не означает, что можно сидеть сложа руки, а изобретения, из уважения к законам развития техники, будут появляться сами по себе. «Изобретательская промышленность», выпускающая ценнейшую продукцию - новые технические идеи, работает, в сущности, кустарными методами. «Продукции» выпускается меньше, и она худшего качества, чем это возможно. Порой даже трудно понять, почему та или иная «изобретательская продукция» не появилась значительно раньше.
Можно привести такой пример. Еще на заре автомобилизма на двигателе устанавливали вентилятор. И уже тогда каждый шофер знал: при низкой температуре воздуха вентилятор не нужен, более того, он вреден - напрасно тратит энергию, переохлаждает двигатель. Но выключающийся вентилятор был изобретен лишь в 1951 году! Тут «простой» затянулся почти на полстолетия, и платить за это пришлось реками бесполезно сожженного горючего.
Посмотрим теперь, какова «технология творчества» в более сложных случаях. Возьмем для примера историю изобретения менискового телескопа.
Еще до войны ленинградский оптик Д. Д. Максутов работал над созданием школьного телескопа. Задача состояла в том, чтобы дать простой, дешевый и хороший прибор, способный противостоять всем невзгодам школьной жизни. Известные системы телескопов были сложны, дороги и требовали очень осторожного обращения. Все попытки упростить и удешевить конструкцию приводили к ухудшению оптических качеств. Максутову никак не удавалось «совместить несовместимое».
«Менисковые системы,- рассказывает изобретатель в книге «Астрономическая оптика»,- были изобретены мной в первых числах августа 1941 года, где-то на пути между Муромом и Арзамасом во время эвакуации из Ленинграда.
Оставляя Ленинград, а вместе с ним и подготовлявшееся массовое производство школьных телескопов, над реализацией которого с сомнительным успехом прохлопотал половину своей жизни, я задумался над печальной судьбой своего детища. На долю занятого человека редко выпадает возможность две недели ничего не делать и фантазировать на интересующие его темы.
Все ли хорошо в разработанной конструкции школьного рефлектора? Нет, не все хорошо, в частности зеркала, хотя бы и алюминированные, будут быстро выходить из строя. Рефлектор с открытой трубой вряд ли долго проживет в школе. Достаточно уборщице один раз стереть с зеркала пыль, и оно будет испорчено. Прикрыть трубу стеклом? Это, конечно, защитит зеркало. Но из чего сделать стекло? Простое стекло дешево, однако оно поглощает много света. Оптическое стекло хорошо, зато и стоимость его высока».
«Как же улучшить конструкцию? - продолжал размышлять изобретатель.- Единственный, казалось, выход- усложнить конструкцию, расположив в передней части трубы плоскопараллельное защитное окно. Введение плоскопараллельного окна из оптического стекла значительно удорожит инструмент…»
Обо всем этом изобретатель думал много лет. И каждый раз останавливался перед очевидным фактом: простое стекло не годится, а оптическое слишком дорого. Но в поезде Максутов, как он сам подчеркивает, «фантазировал». Иначе говоря, он мог уйти в сторону от «вектора инерции»: проверить варианты, которые считались заведомо невыгодными, произвольно допустить нечто фантастическое. И он мысленно сделал такое допущение: предположим, что оптическое стекло вдруг ст#ло совсем дешевым, тогда сразу появится возможность установить на рефлекторах защитные окна. Что это даст? Прежде всего- продлится жизнь зеркала.
«Герметическая труба приятна еще и в том отношении, что в ней устраняются конвекционные потоки воздуха.
Мысль идет дальше и находит еще одно преимущество телескопа с защитным окном: к окну можно привязать диагональное зеркало, высверлив, например, в окне отверстие, пропустив через него хвост оправы диагонального зеркала, а затем приболтив этот узел к защитному окну. Мы освобождаемся от стойки или растяжек, поглощающих свет, порождающих дополнительные помехи».
Здесь Максутов делает первый шаг на пути к изобретению. Оптическое стекло - нечто вроде неизбежного зла. Ладно, говорит изобретатель, пусть будет оптическое стекло! Но, раз уж приходится его использовать, нельзя ли получить, в порядке своего рода компенсации, какие-то дополнительные преимущества?
Достаточно было поставить вопрос так, чтобы не только специалист, но и вообще каждый человек, знакомый с устройством телескопа, дал правильный ответ. Около входного отверстия трубы укреплено плоское зеркальце, направляющее лучи рефлектора в глаз наблюдателя. Раньше система крепления поглощала много света, теперь же это зеркальце (его называют еще вторичным зеркалом) можно прикрепить непосредственно к защитному окну.
«Но мысль идет дальше. Нельзя ли…, выполнить защитное окно не в виде плоскопараллельного диска, а в виде мениска, чтобы заалюминированная его центральная часть служила вторичным зеркалом?»
Тут уже не только упрощается крепление вторичного зеркала, а исчезает, в сущности, само зеркало. Функцию вторичного зеркала «по совместительству» будет выполнять центральная часть защитного окна.
«Такая конструкция очень хороша (у вторичного зеркала исчезла оправа, экранирование стало минимальным), но не внесет ли мениск вредных аберраций? По-видимому, внесет (не ахроматическую, а сферическую аберрацию, притом как положительную, так и отрицательную). '