Мыслительное карате. Методология научно-технического творчества и концептуального проектирования

Рисунок 27. Лента Мёбиуса

Еще один яркий пример геометрического эффекта – лента Мёбиуса (один из объектов с односторонней поверхностью). Такие объекты имеют множество практических применений в технике, архитектуре и других областях (рис. 27). Ленту Мёбиуса легко сделать самостоятельно: надо взять достаточно длинную бумажную полоску и склеить противоположные концы, предварительно повернув один из них. В качестве примеров использования геометрического эффекта ленты Мёбиуса можно привести ленту конвейера для транспорта абразивного сыпучего материала, шлифовальную ленту, ленточную пилу (рис. 28), срок эксплуатации которых увеличивается в два раза. Известны и другие односторонние поверхности.

Рисунок 28. Примеры использования геометрического эффекта ленты Мёбиуса: а – лента конвейера; б – шлифовальная лента; в – ленточная пила

Разумеется, все геометрические эффекты реализуются в физических принципах действия.

Создание концептуально новых технологий и поколений техники требует разработки и использования новых принципов действия. При этом наиболее существенные практические результаты фиксируются при включении в структуру принципа действия эффектов, ранее не применявшихся в данной предметной области. Например, электрическое освещение возникло на основе принципа действия, включающего новые (по сравнению с принципом действия свечи) эффекты и их новые сочетания.

Задача построения принципа действия обладает большой комбинаторной сложностью. Вследствие этого, даже располагая информацией о значительном числе эффектов, специалист не в состоянии «вручную» (без использования компьютеров) эффективно комбинировать их, выбирая оптимальные с точки зрения заданных критериев сочетания[41 - Попов В. В. и др. О системе [Электронный ресурс] // Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии: [сайт]. 2008. URL: http://www.heuristic.su/home/].

Под моим руководством разработана автоматизированная система поиска и синтеза принципов действия ТС, основанная на логике, сущность которой раскрыта в разделе 6.3.6.

1.4.5. Формирование технических решений

Принцип действия ТС может быть конкретизирован во множестве технических решений (ТР).

В Большом энциклопедическом политехническом словаре ТР определяется как «устройство, сооружение, изделие, являющееся конструктивным элементом или совокупностью конструктивных элементов, находящихся в функционально-конструктивном единстве; способ, процесс выполнения взаимосвязанных действий над материальным объектом и с помощью материальных объектов; вещество, искусственно созданное материальное образование, являющееся совокупностью взаимосвязанных элементов, ингредиентов (к веществам относятся, например, материалы для изготовления предметов, сооружений, употребляемые для покрытий, изоляции, амортизации, используемые в качестве проводников энергии, лечебные, косметические, пищевые, вкусовые вещества, кормовые продукты, химические реагенты, вещества-излучатели и вещества-поглотители излучений, поверхностно-активные, биологически активные вещества, в том числе ядохимикаты, стимуляторы роста)»[42 - Большой энциклопедический политехнический словарь [Электронный ресурс]. М.: Изд-во «Мультигрейд», 2004. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).]. С большим уважением относясь к Большому энциклопедическому политехническому словарю и принимая практически полностью это определение, я вместе с авторами[43 - Техническое творчество: Теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник / Под ред. А. И. Половинкина, В. В. Попова. М.: НПО «Информ-система», 1995.] считаю необходимым подчеркнуть, что ТР – это не устройство, сооружение, изделие и так далее, а его описание.

Технические решения можно разделить на три основные группы: конструктивные, технологические и другие ТР, при этом к последней можно отнести вещества, биологические объекты, топологии интегральных микросхем и др.

Описание ТР, как правило, дополняется графическим изображением. Около 95% всех изобретений – это ТР, менее 5% – описания принципов действия ТС. И хотя описания многих ТР не имеют никаких количественных характеристик, специалист, как правило, может оценить различие в потенциальной эффективности ТР из одной области.

Ниже приведен пример конструктивного ТР.

Рисунок 29. Велосипед

ТР – велосипед (рис. 29): «Велосипед состоит из рамы (1), шарнирно закрепленной на ней рулевой вилки (2) с рулем (3) и передним колесом (4), заднего колеса (5), седла (6) на подседельном штыре (7), педалей с кривошипами (8), цепной передачи (9) и тормозов (10). Дополнительно велосипед может оборудоваться одним или двумя амортизаторами, крыльями (для защиты от брызг), багажником, светотехникой (лампами и/или световозвращателями – катафотами), звуковым сигналом, подставкой-„подножкой“ и др.»[44 - https://ru.wikipedia.org/wiki/ Велосипед].

Типичным примером технологического ТР является рецепт приготовления борща (рис. 30).

Рисунок 30. Технология приготовления борща

ТР – рецепт приготовления борща «Московский»: «В мясном бульоне варят ветчинные кости, бульон процеживают, кипятят. В кипящий бульон закладывают капусту, нашинкованную соломкой, варят 8—10 минут; добавляют пассерованные овощи и снова варят. Затем добавляют тушеную свеклу, заправляют белым соусом или пассерованной мукой, разведенной бульоном или водой. В конце варки кладут соль, перец, лавровый лист, уксус, сахар и варят до готовности. Готовят набор мясных продуктов, он включает ветчину, мясо, сосиски. На одну порцию используют по одному кусочку каждого вида. Мясные продукты нарезают ломтиками. Заливают небольшим количеством бульона и кипятят»[45 - http://www.cooke.ru/modules/Article/files/ulasevich/7_3.htm].

Пример ТР – описание биологического объекта. ТР – штамм бактерий Lactobacillus acidophilus (рис. 31): «величина клеток 18-часовой культуры в молоке 3—6 мкм, тонкие палочки, клетки равномерно окрашиваются метиленовой синью, расположены поодиночке или в виде цепочки из 2—3 члеников, на агаре с гидролизованным молоком образуют бесцветные колонии диаметром 1—1,5 мм, глубинные, темные в виде паучков. Минимальная температура развития – 20° C, оптимальная – 36—39° C, максимальная – 60—65° C. Отношение к углеводам – сбраживает глюкозу, лактозу, маннит, не сбраживает арабинозу, слабо ферментирует рамнозу, целлобиозу. Молоко свертывает при оптимальной температуре и внесении 2% закваски за 4,5—5 часов, 4% закваски за 3,5 часа, кислотность через 24 часа достигает 138±10°Т (рН 3,95±0,1), через 48 ч. – 170±10°Т (рН 3,8±0,1), через 3 суток – 190±10°Т (рН 3,7±0,1). Штамм гомоферментативный, рацемат, вырабатывает DL-изомер молочной кислоты, обладает выраженной антагонистической активностью в отношении патогенных бактерий. Культура обладает высокой протеолитической активностью и отличается от известных ацидофильных штаммов более низким пределом кислотообразования»[46 - http://kzpatents.com/5—545-shtamm-bakterijj-lactobacterium-acidophilum-ispolzuemyjj-dlya-proizvodstva-kislomolochnyh-produktov.html].

Техническое решение (ТР) воплощает в себе функции, свойства, функциональную структуру и принцип действия технической системы (ТС), и при высокой эффективности творческой деятельности создателя ТР может являться опережающим отражением технически реализуемой потребности человека, еще не ставшей предметом общественного сознания. История знает немало ТР, опередивших время.

Рисунок 31. Бактерия Lactobacillus acidophilus (ацидофильная лактобактерия)

ТР может быть защищено как результат интеллектуальной деятельности, улучшено за счет оптимизации количественных параметров (об этом в следующем разделе), а также использовано в проектной документации на его реализацию (иногда даже без оптимизации количественных параметров).

1.4.6. Оптимизация параметров свойств в технических решениях

Техническое решение может быть значительно улучшено за счет оптимизации параметров свойств в ТР. Это можно сделать при выборе лучшего сочетания (по выбранному критерию) количественных характеристик свойств, непосредственно влияющих на полезность (потребительскую ценность) разрабатываемой ТС, и свойств, определяющих плату за полезность разрабатываемой ТС.

Для анализа количественных характеристик свойств и выбора лучшего их сочетания используют математическую и/или другие модели разрабатываемой ТС, на которых исследуют количественные изменения одних характеристик модели ТС при изменении других характеристик. Например, изменив только лишь количественные характеристики геометрии автомобильного кузова, можно значительно улучшить его аэродинамику. При этом потенциально максимальная скорость автомобиля (при неизменных качественных параметрах свойств) может возрасти на 10—30%, а расход топлива – уменьшиться тоже на 10—30%. Напомним, что такой же эффект был получен в ТС буксировки барж, но за счет изменения функциональной структуры ТС (см. рис. 20 и 21).

1.4.7. Создание технической системы и ее жизненный цикл

Техническое решение может быть основой для создания ТС или ее экспериментального образца, который должен успешно пройти испытания, чтобы перейти к следующим стадиям, завершающимся массовым производством ТС.

Широко распространено понятие «жизненный цикл технической системы», характеризующее стадии процесса, охватывающего различные состояния ТС, начиная с момента возникновения потребности в такой ТС и заканчивая ее полным выходом из эксплуатации, включая утилизацию или захоронение. Однако общепринятого перечня этих стадий нет. В качестве примера можно привести следующий упрощенный перечень:

– определение функций и потребительских свойств ТС (что соответствует разработке технического задания в процессе проектирования ТС; подробнее о проектировании см. главу 3);

– выбор или разработка функциональной структуры, принципа действия и технического решения ТС (что соответствует разработке технического предложения, эскизного проекта и/или технического проекта);

– рабочее проектирование, связанное с расчетом и оптимизацией параметров ТС, выбором или разработкой технологии изготовления, составлением проектной документации;

– изготовление и испытания ТС;

– транспортировка и хранение ТС;

– эксплуатация, диагностика неисправностей и ремонт ТС;

– утилизация или захоронение ТС в результате ее физического или морального износа.

Жизненный цикл ТС имеет тенденцию к сокращению продолжительности. Например, чтобы массово внедрить печатный станок, изобретенный Иоганном Гутенбергом в начале XV века, потребовалось почти 400 лет, обычный телефон внедряли 50 лет, мобильный телефон получил широкое распространение за 7 лет, социальные сети – за 3 года. В современных условиях острой конкуренции на рынках, требующей постоянного обновления ассортимента и повышения потребительских свойств товаров, тенденция к сокращению жизненного цикла ТС еще более выражена. Например, закон Мура – одно из самых известных эмпирических (основанных на опыте, изучении фактов) правил в мире – гласит, что каждые два года количество транзисторов, размещаемых на компьютерном чипе, удваивается.

Знание и понимание основных стадий жизненного цикла ТС вызывают необходимость создать такую ТС, в которой будут реализованы функции и свойства, обеспечивающие не только ее эффективную эксплуатацию, но и транспортировку, ремонт (ремонтопригодность), утилизацию и захоронение ТС. Подробно эти стадии (этапы) описаны в главе 3 «Научно-техническое творчество как формирование и выполнение проектов».

1.4.8. Характерные фазы зарождения (создания), развития и отмирания технической системы

Бельгийский математик Пьер Франсуа Ферхюльст в середине XIX века показал, что рост биологических популяций происходит по S-образной, или, как ее еще называют, логистической, кривой. Впоследствии многие ученые по итогам масштабных исследований доказали, что по такой закономерности проходит жизненный цикл любых технических систем (создание, развитие и отмирание)[47 - Научно-техническое прогнозирование для промышленности и правительственных учреждений / Под ред. проф. Джеймса Брайта. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1972; Каменев А. Ф. Технические системы: закономерности развития. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1985. Глава 2]. Качественные характеристики фаз зарождения (создания), развития и отмирания любой впервые создаваемой ТС на S-образной кривой (рис. 32) можно трактовать следующим образом. Фаза 1 – зарождение (создание) ТС, характеризуется медленным ростом потребительских свойств ТС, так как практически все свойства ТС требуют исследований, экспериментальной проверки, а также оценки потребительского спроса.

Рисунок 32. Характерные фазы создания, развития и отмирания ТС

Фаза 2 – ускоренное развитие ТС, которое начинается и продолжается при высоком потребительском спросе. Именно эта фаза характеризуется разработкой и реализацией множества технических решений ТС, основанных на прежних или новых функциональных структурах и принципах действия или существования ТС.

При отсутствии или очень низком потребительском спросе жизнь ТС заканчивается сразу после первой фазы или, по крайней мере, останавливается на неопределенное время, пока потребность в ТС не будет осознана и сформирована (например, при случайных открытиях) или пока не будут изобретены необходимые материалы и/или технологии. В силу этой, последней, причины опередили время многие изобретения гениального итальянца Леонардо да Винчи (например, шариковые и роликовые подшипники, парашют, рис. 33 и 34). В целом в техническом творчестве надо следовать совету выдающегося американского изобретателя Томаса Эдисона: «Найди то, что нужно миру, и только потом начинай изобретать».

Рисунок 33. Шариковый подшипник: а – предложенный Леонардо да Винчи; б – современный

Фаза 3 – замедление развития ТС, которое связано с возникновением новых потребностей человека, которые уже не могут быть полностью удовлетворены за счет технических решений в рамках существующей ТС. Фаза 4 – фактически характеризует отмирание ТС из-за возникшего противоречия: потребительский спрос на ТС падает, и необходимо развивать потребительские свойства ТС, но при существующей функциональной структуре и нынешнем принципе действия или существования ТС ее потребительские свойства дальше существенно развиваться не могут (более подробно о противоречиях в технической и других сферах сказано в главе 4).

Чтобы удовлетворить растущие потребности человека, требуется переходить на ТС нового поколения, основанную на новой функциональной структуре и/или ином принципе действия или существования ТС (на рис. 32 это штриховая кривая).

Рисунок 34. Парашют: а – предложенный Леонардо да Винчи; б – современный

Однако начинать создание ТС нового поколения следует заранее (как правило, это начало фазы 3 в жизни «старой» ТС), чтобы к окончанию фазы 3 жизни «старой» ТС потребительские свойства ТС нового поколения были не хуже максимальных значений потребительских свойств «старой» ТС. Тогда переход на ТС нового поколения пройдет без негативных последствий и эта ТС продолжит свою жизнь по своей S-образной кривой, затем и ТС нового поколения замедлит свое развитие. Необходимо заранее разрабатывать ТС следующего поколения, то есть фазы, представленные на рис. 32, повторятся.

Следует отметить, что имеется немало примеров, когда ТС после фазы 3 не «умирают», а практически без существенного улучшения потребительских свойств продолжают «жить» и «живут» неопределенно долго. Например, без принципиальных изменений самокат используют более века, а мотоцикл и автомобиль так и не вытеснили велосипед.

Глава 2. Реализация потребностей человека – творческий процесс

2.1. Основные понятия творческого процесса и научно-технического творчества