10 Глава. Наука изобретательства

10 Глава. Наука изобретательства

                «Альпинистов учат выбирать наилучшую из возможных
                дорог, учат правильно преодолевать препятствия.
Так почему бы не учить изобретателей искусству выбирать оптимальное, наиболее целесообразное направление поисков?»
Генрих Альтшуллер. Инженер, изобретатель.

   Уже в 19-м веке наука, естествознание, промышленное производство сделали такие шаги, что мир казался открытым почти полностью, и некоторые физики в серьёзную шутку утверждали: «В физике больше нечего делать, осталось только уточнять следующие десятичные знаки». Если эту шутку воспринимать всерьёз, то она в корне противоречит законам диалектики развития. Заполнив очередной круг познания ответами и воплотив их в промышленные изобретения научная мысль , передовые учёные, изобретатели принялись за нахождение ответов на следующие вопросы. И ответы 20 века не просто дополнили знаки после запятой, а пошатнули сами основы научного мировоззрения завершённые в предыдущем веке. Началась научно-техническая революция. Внедрение науки непосредственно в производство и в жизнь человека определили  качественный скачок  в развитии общества и человеческого потенциала.
В передовых обществах количество изобретательства и открытий выросло в разы.
   Открытие радиоактивности, теории относительности, ядерных взаимодействий, квантовой механики, электроники, ЭВМ, информатизации  говорит о справедливости утверждения, что познание человека бесконечно, как и бесконечна сама природа. Главное не бояться делать самые неожиданные прогнозы. Ведь прогнозы делаются на основе сегодняшнего уровня знаний, и кто его знает, что откроется пытливым учёным лет через сто?
   Однажды в 1862 году газета «Таймс» сделала публикацию прогнозов достижений человечества через 100 лет. Одним из самых неправдоподобных был прогноз о нахождении способа сжигания воды, то есть использования её с целью получения энергии. Да, естественно, газетчикам нужно чем-то ошарашить своего читателя, и вода действительно не горит, ну, разве, что кроме случая со фтором – более мощным окислителем, чем кислород. Но «горение» воды подошло к физикам с совершенно неизвестной тогда стороны.
    Достижения ядерной физики в расщеплении атомов и получении управляемой ядерной реакции, которая используется в атомных станциях сегодня,  позволяют взять из простой морской воды тяжёлый изотоп водорода – дейтерий  и включить его в термоядерную реакцию.  Термоядерная реакция дейтерия с более тяжёлым изотопом тритием идёт с выделением огромного количества энергии. В формуле её представляют так:

                21H + 31H ; 42He + n + 17,6 МэВ

Из формулы видно, что Дейтерий содержит 1 протон и 2 нейтрона, а Тритий содержит 1 протон и 3 нейтрона в результате их синтеза получается Гелий с 2-мя протонами и 4-мя нейтронами + высвобождается 1 нейтрон + энергия равная 17,6 Мегаэлектронвольт. 150 лет назад ни газетчики ни физики ещё и подумать об этом не могли. Дело всё в той же структуре познания, которая даёт понимание только ближайшего круга ответов.
   Наука и изобретательство всегда идут вместе, подталкивая и обогащая друг друга своими открытиями. Но не следует думать, что они существуют сами для себя, или сами по себе: изобретаю что хочу или исследую, что мне хочется. В этом , конечно нет смысла. Реальное величие достигается тогда, когда они стоят на службе человека, и отвечают реальным требованиям времени. Так, например наука, ставя перед собой  неразрешимую задачу , при поиске решений открывает совершенно неожиданные перспективы. Решая теорему Ферма, математик Эрнст Куммер заложил основу теории алгебраических чисел.
   А можно ли систематизировать изобретательство? Создать для него строго научную дисциплину? Ведь до сих пор – это дело любителей, учёных, инженеров совершенно различных специальностей идёт на их страх и риск. Можно ли этому обучаться, открыть факультеты или хотя бы факультативы?
Этим вопросом задался в середине 20-го века известный во всём мире советский изобретатель Генрих Альтшуллер. Его изобретательское наследие велико не только в практике, но и в теории. Это именно он заложил основы ТРИЗ – Теории решения изобретательских задач.
   Благодаря теории Альтшуллера сегодня изобретательство – это научная дисциплина. ТРИЗ систематизировал и сконцентрировал в себе изобретательские алгоритмы и решения . Сегодня ТРИЗ изучают во многих
                Генрих Саулович Альтшуллер
странах мира, разработаны компьютерные программы по ТРИЗ. Для того, что бы подробнее ознакомиться с этой системой рекомендую прочесть учебник под редакцией Владимира Петрова «Основы Теории решения изобретательских задач», где автор доказывает, что:
«ТРИЗ -= уникальный инструмент для:
- поиска нетривиальных идей
- выявления и решения многих творческих проблем
- выбора перспективных направлений развития техники, технологии и снижения затрат на их разработку и производство
- развитие творческого мышления
- формирование творческой личности и коллективов»
   Изобретатель, писатель-фантаст Генрих Саулович Альтшуллер  с самого детства проявлял тягу к изобретательству. Среди его изобретений были катер с ракетным двигателем, пистолет-огнемёт, скафандр.
   По данным Википедии: 9 ноября 1943 года в 10-м классе вместе с Рафаэлем Шапиро и Игорем Тальянским  подали заявку на своё первое изобретение «Дыхательный аппарат с химические патроном». Само время подвигло этих ребят развить свой талант изобретательства по этому курсу. Изобретённый ими дыхательный аппарат представлял собой полностью изолированный источник дыхания при регенерации кислорода. То есть полностью на время работы химического генератора О2  делал независимым дыхание от внешней среды. Аппарат мог использоваться при пожарах, в загазованных местах, в шахтах, в химической , металлургической и газовой промышленности.
   Вся жизнь Альтшуллера была посвящена изобретательскому творчеству, Вместе со своим другом Шапир они разработали систему ТРИЗ. Основной постулат которой звучит так: «технические системы развиваются по определённым законам, эти законы можно выявить и использовать для создания алгоритма решения изобретательских задач.»
    Под псевдонимом Генрих Альтов он публиковал свои фантастические рассказы, такие как «Икар и Дедал». Цикл «Легенды о звёздных капитанах».
   Сегодня изобретательство важно и востребовано , как никогда. Оно приносит новое в науку и технику, в отношения людей. Ведь изобретать можно не только технические процессы, но и законы, формы общественного устройства, которые бы делали жизнь людей лучше, а их самих добрее и счастливее.
   Писатель, поэт, композитор – тоже изобретатели. Они создают новые произведения искусства, которые так же опираются на опыт человечества.
   Но всё же решение научно-технических проблем – главное место применения изобретательства. И сегодня оно превратилось в науку! Готов ли ты стать изобретателем? Тогда тебе нужно знать 40 принципов устранения технических противоречий. Да, да, - сегодня не каменный век, и для того, что бы изобрести новый экскаваторный ковш придётся немного попотеть над наукой!
Не нужно думать, что все приёмы решения изобретательских задач придумал сам Альтшуллер. Главное – это наблюдательность и умение делать правильные выводы и обобщения. Некоторые принципы  взяты из истории и быта людей.
Например, принцип антивеса мог быть подсмотрен
в деревенском быту: колодец с подъёмником типа «журавль», где лёгкость подъёма наполненного ведра обеспечивается привязанным противовесом. Если перенестись в ещё более раннее время, то об этом свойстве рычага говорил ещё Архимед: «Дайте мне точку опоры и я переверну Землю!»

Принцип, который ТРИЗ формулирует, как «Принцип перехода в другое измерение» мог быть взят у изобретателей римских акведуков.   Первый такой водопровод появился в Древнем Риме в IV веке до н. э., и изобретательским гением в нём был использован естественный уклон гор, на которых начинал свой путь акведук ( так назывался этот водопровод). Вода подавалась с гор, тающих ледников и по наклонной поступала в город. 
Прошло тысячу лет и теперь вода бежит под давлением по трубопроводам в каждый дом .Но прежде чем это произошло человек должен был воплотить в жизнь весь опыт, десятки , сотни изобретений.

На рисунке – римский акведук. Из Википедии:
«Хотя акведуки больше всего ассоциируются с римлянами, они были изобретены столетиями ранее на Ближнем Востоке, где вавилоняне и египтяне строили сложные ирригационные системы. Акведуки римского стиля использовались уже в VII столетии до н. э., когда ассирийцы строили акведук из известняка высотой 10 метров и длиной 300 метров, чтобы переносить воду поперёк долины в свою столицу, Ниневию; полная длина акведука составляла 80 километров. Примерно в то же время, акведуки использовались в городах майя.»
Известно, что в Древней Греции также строились акведуки. Самым выдающимся акведуком Геродот считал акведук на острове Самос. Этот акведук историк включил в список чудес света.

«Принцип отброса и регенерации частей» - сегодня успешно применяется для запуска космических ракет. Чтобы выйти в открытый космос ракете необходимо  сначала преодолеть притяжение Земли. Несколько ступеней, которые являются двигателями , отработав своё горючее отделяются от ракеты, чтобы не быть лишней тяжестью. На рисунке показан цикл отделения ступеней ракеты  РН «Союз-2».  Подобная интересная способность  в природе наблюдается у ящериц: в минуты опасности у неё может отделиться хвост.

Работа в патентном бюро дала возможность Альтуллеру рассмотреть и проанализировать различные патенты, что и помогло ему  выявить некоторые общие закономерности разных изобретений. Его команда изучила порядка 200 тыс. патентов  после чего и были сформулированы 4 основных понятия ТРИЗ:
 1) одни и те же проблемы и решения появляются снова и снова, но в различных отраслях промышленности;
2) существует определенный путь технологической эволюции для всех отраслей промышленности;
3) в инновационных патентах (23% от общего числа) используются научные/инженерные теории, взятые за пределами своей области/отрасли;
4) инновационный патент раскрывает и разрешает противоречия.
ТРИЗ – это метод наведения мостиков между различными научными дисциплинами ради получения  изобретательского эффекта.
В одной из технических задач ТРИЗ приводится следующий пример:  «При создании и эксплуатации шахтных электровозов возникает явное техническое противоречие: для увеличения тяги нужно утяжелять электровоз, а для уменьшения его мертвого веса следует делать электровоз возможно более легким.  Группа сотрудников Ленинградского горного института разработала и успешно применила простое устройство, позволяющее снять это техническое противоречие и в полтора раза увеличить производительность рудничных электровозов: в ведущих колесах монтируется мощный электромагнит; создается магнитное поле, охватывающее колеса и рельсы; сила сцепления резко возрастает, а вес электровоза может быть снижен.» Из «Школа ТРИЗ» с сайта: http://triz.natm.ru/instrum/pr_08.htm
Считаю целесообразным привести  здесь эти 40 пунктов ТРИЗ
ВКЛАДЫШ
Список приемов устранения технических противоречий ТРИЗ (автор Альтшуллер)
1. Принцип дробления:
а) разделить объект на независимые части;
б) выполнить объект разборным;
в) увеличить степень дробления объекта.
2. Принцип вынесения:
отделить от объекта “мешающую” часть (“мешающее” свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть (нужное свойство).
3. Принцип местного качества:
а) перейти от однородной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной;
б) разные части объекта должны иметь (выполнять) различные функции;
в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.
4. Принцип асимметрии:
а) перейти от симметричной формы объекта к асимметричной;
б) если объект асимметричен, увеличить степень асимметрии.
5. Принцип объединения:
а) соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты;
б) объединить во времени однородные или смежные операции.
6. Принцип универсальности:
объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
7. Принцип “матрешки”:
а) один объект размещен внутри другого, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.;
б) один объект проходит сквозь полости в другом объекте.
8. Принцип антивеса:
а) компенсировать вес объекта соединением с другим, обладающим подъемной силой;
б) компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэро- и гидродинамических сил).
9. Принцип предварительного антидействия:
а) заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям;
б) если по условиям задачи необходимо совершить какое-то действие, надо заранее совершить антидействие.
10. Принцип предварительного действия:
а) заранее выполнить требуемое действие (полностью или хотя бы частично);
б) заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затраты времени на доставку и с наиболее удобного места.
11. Принцип “заранее подложенной подушки”:
компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.
12. Принцип эквипотенциальности:
изменить условия работы так, чтобы не приходилось поднимать или опускать объект.
13. Принцип “наоборот”:
а) вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществить обратное действие;
б) сделать движущуюся часть объекта или внешней среды неподвижной, а неподвижную — движущейся;
в) перевернуть объект “вверх ногами”, вывернуть его.
14. Принцип сфероидальности:
а) перейти от прямолинейных частей к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба и параллелепипеда, к шаровым конструкциям;
б) использовать ролики, шарики, спирали;
в) перейти от прямолинейного движения к вращательному, использовать центробежную силу.
15. Принцип динамичности:
а) характеристики объекта (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы;
б) разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга;
в) если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся.
16. Принцип частичного или избыточного действия:
если трудно получить 100% требуемого эффекта, надо получить “чуть меньше” или “чуть больше” — задача при этом существенно упростится.
17. Принцип перехода в другое измерение:
а) трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух измерениях (т. е. на плоскости). Соответственно задачи, связанные с движением (или размещением) объектов в одной плоскости, устраняются при переходе к пространству в трех измерениях;
б) использовать многоэтажную компоновку объектов вместо одноэтажной;
в) наклонить объект или положить его “на бок”;
г) использовать обратную сторону данной площади;
д) использовать оптические потоки, падающие на соседнюю площадь или обратную сторону имеющейся площади.
18. Принцип использования механических колебаний:
а) привести объект в колебательное движение;
б) если такое движение уже совершается, увеличить его частоту (вплоть до ультразвуковой);
в) использовать резонансную частоту;
г) применить вместо механических вибраторов пьезовибраторы;
д) использовать ультразвуковые колебания в сочетании с электромагнитными полями.
19. Принцип периодического действия:
а) перейти от непрерывного действия к периодическому (импульсному) ;
б) если действие уже осуществляется периодически, изменить периодичность;
в) использовать паузы между импульсами для другого действия.
20. Принцип непрерывности полезного действия:
а) вести работу непрерывно (все части объекта должны все время работать с полной нагрузкой);
б) устранить холостые и промежуточные ходы.
21. Принцип проскока:
вести процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) на большой скорости.
22. Принцип “обратить вред в пользу”:
а) использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта;
б) устранить вредный фактор за счет сложения с другими вредными факторами;
в) усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным.
23. Принцип обратной связи:
а) ввести обратную связь;
б) если обратная связь есть, изменить ее.
24. Принцип “посредника”:
а) использовать промежуточный объект, переносящий или передающий действие;
б) на время присоединить к объекту другой (легкоудаляемый) объект.
25. Принцип самообслуживания:
а) объект должен сам себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции;
б) использовать отходы (энергии, вещества).
26. Принцип копирования:
а) вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощенные и дешевые копии;
б) заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии);
в) если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным и ультрафиолетовым.
27. Принцип дешевой недолговечности взамен долговечности:
заменить дорогой объект набором дешевых объектов, поступившись при этом некоторыми качествами (например, долговечностью).
28. Принцип замены механической схемы:
а) заменить механическую схему оптической, акустической или “запаховой”;
б) использовать электрические, магнитные и электромагнитные поля для взаимодействия с объектом;
в) перейти от неподвижных полей к движущимся, от фиксированных — к меняющимся во времени, от неструктурных — к имеющим определенную структуру;
г) использовать поля в сочетании с ферромагнитными частицами.
29. Принцип использования пневмо- и гидроконструкций:
вместо твердых частей объекта использовать газообразные и жидкие: надувные и гидронаполняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные.
30. Принцип использования гибких оболочек и тонких пленок:
а) вместо обычных конструкций использовать гибкие оболочки и тонкие пленки;
б) изолировать объект от внешней среды с помощью гибких оболочек и тонких пленок.
31. Принцип применения пористых материалов:
а) выполнить объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия и т. д.);
б) если объект уже выполнен пористым, предварительно заполнить поры каким-то веществом.
32. Принцип изменения окраски:
а) изменить окраску объекта или внешней среды;
б) изменить степень прозрачности объекта или внешний среды.
33. Принцип однородности:
объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала (или близкого ему по свойствам).
34. Принцип отброса и регенерации частей:
а) выполнившая свое назначение или ставшая ненужной часть объекта должна быть отброшена (растворена, испарена и т. д.) или видоизменена непосредственно в ходе работы;
б) расходуемые части объекта должны быть восстановлены непосредственно в ходе работы.
35. Принцип изменения физико-химических параметров объекта:
а) изменить агрегатное состояние объекта;
б) изменить концентрацию или консистенцию;
в) изменить степень гибкости;
г) изменить температуру.
36. Принцип применения фазовых переходов:
использовать явления, возникающие при фазовых переходах, например, изменение объема, выделение или поглощение тепла и т. д.
37. Принцип применения теплового расширения:
а) использовать тепловое расширение (или сжатие) материалов;
б) использовать несколько материалов с разными коэффициентами теплового расширения.
38. Принцип применения сильных окислителей:
а) заменить обычный воздух обогащенным;
б) заменить обогащенный воздух кислородом;
в) воздействовать на воздух и кислород ионизирующим излучением;
г) использовать озонированный кислород;
д) заменить озонированный кислород (или ионизированный) озоном.
39. Принцип применения инертной среды:
а) заменить обычную среду инертной;
б) вести процесс в вакууме.
40. Принцип применения композиционных материалов:
перейти от однородных материалов к композиционным.

Каждую последнюю субботу июня в России отмечается день изобретателя и рационализатора. Этот  праздник достался  нам в наследство от СССР, где движение изобретателей и рационализаторов было окружено серьёзной государственной  заботой. Как говорит академический словарь: «Первоначально День изобретателя и рационализатора был введен по предложению Академии наук СССР в конце 1950-х годов в качестве альтернативы западной Нобелевской премии. 25 июня Академия наук рассматривала все рационализаторские предложения, выдвинутые за прошедший год, отбирала лучшие и награждала их авторов. С течением времени праздник потерял свое первоначальное прикладное значение. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 января 1979 года был учрежден ежегодный Всесоюзный день изобретателя и рационализатора, который праздновался в последнюю субботу июня.»