Орлов. Основы классической ТРИЗ
.pdf
На уровне управления замещение шло в направлении создания автоматических регуляторов, копировально-обрабатываюших станков, автопилотов и автонавигаторов и т. д.
На информационном уровне замещение началось с инструментов получения информации — различных датчиков и измерительных устройств, чувствительность, точность и скорость работы которых намного превосходит возможности челевечских органов чувств. Далее человек замещается в подсистемах получения и обработки информации, подготовки и принятия решений.
Парадоксальной негативной тенденцией развития ТС (негативным сверх-сверх-эффектом!) является замещение человека... в природе! Техносфера, развиваемая человеком, оказывает негативное воздействие на природу и может уничтожить ее, а значит, уничтожить и само человечество.
По современным представлениям, жизнь на Земле зародилась около четырех миллиардов лет назад. Развиваясь, приспосабливаясь к существовавшим тогда на планете условиям, живые организмы начали преобразовывать окружающую среду. Эти преобразования привели к появлению кислородсодержащей атмосферы, почвы, озонного слоя, современного ландшафта с его лесами, реками, озерами, болотами, тундрой, тайгой и джунглями. Так появилась биосфера, в которой миллионы видов живых организмов и преобразованная ими планета идеально подогнаны друг к другу. Здесь нет ничего лишнего.
Но вот появился человек, который, благодаря разуму, стал усиливать мощь своих мускулов, органов чувств, интеллект, начал создавать технику и технологические процессы.
Современная индустриальная мощь земной цивилизации — лишь логическое развитие технократического направления. Однако, экспансивное развитие технических систем оказывает негативное воздействие на Природу.
Техносфере не нужна почва. Поэтому на планете все меньше и меньше плодородной земли, а все больше шлака, мертвых пустынь и терриконов.
Техносфере не нужна кислородсодержащая атмосфера. Поэтому, например, уже
сегодня промышленность США потребляет больше кислорода, чем его вырабатывают зеленые растения на территории США. США живут за счет кислорода, вырабатываемого российской тайгой и амазонскими джунглями. А если все страны достигнут такого уровня потребления кислорода?
Техносфере не нужен озоновый слой в атмосфере. Хотя на озон приходится
только одна десятимиллионная часть всей атмосферы, он поглощает около четырех процентов солнечной энергии, падающей на Землю, что в сотни раз превышает количество тепла, выбрасываемого в атмосферу всей современной индустрией. Поэтому влияние состояния озонного слоя на погоду и климат на планете значительно сильнее техногенного воздействия на приземные слои воздуха, а также сильнее парникового эффекта.
Техносфере не нужна живая Природа. Интенсивно растет число заболеваний раком, аллергией, легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, генетических и наследственных болезней, обусловленных заражением воды, воздуха.
почвы. Это относится и к появлению опасных заболеваний промышленно разводимых животных, употребляемых для питания людей. Чрезвычайную опасность представляет СПИД, особенно в случае появления аналогов со свойствами вирусного распространения.
Происходят необратимые изменения ландшафта, эрозия почв, исчезновение лесов, загрязнение морей и океанов, отравление питьевой воды.
Техносфера занимает ту же экологическую нишу, что и биосфера в целом: машины, механизмы, технические устройства размещены на земле и в толще земли, воды, воздуха и активно обмениваются с ними веществом и энергией.
Кардинальный выход из сложившейся ситуации только один: необходимо предоставить техносфере, особенно, ее индустриальной и энергетической части, экологическую нишу вне биосферы! Это обеспечит сохранение и развитие биосферы по тем законам и направлениям, которые были сформированы в течение миллиардов лет эволюции, а также гармоничное взаимодействие общности людей, как биологических объектов, с биосферой.
Такой экологической ниши на Земле нет. Но она есть в космосе, где для большинства технологических процессов идеальные условия: невесомость, вакуум, сверхвысокие и криогенные температуры, неограниченные энергетические, пространственные и даже сырьевые ресурсы. Для широкомасштабного освоения космоса у человечества не так уж много времени, так как по целому ряду прогнозов из-за технократической агрессии против биосферы через од- но-два поколения (максимум в течение 50—80 лет!) начнется необратимая деградация биосферы, а значит и вымирание человеческого рода. Освоение ближнего космоса — это не причуды фантастов. Уже сегодня это становится делом спасения жизни на Земле.
15.2.4. Мета-модель «Волна эволюции». Повышение «идеальности» сложных систем обеспечивается двумя противонаправленными процессами:
•развертывание — увеличение количества и качества выполняемых функций за счет усложнения системы;
•свертывание — увеличение (сохранение) количества и качества функций, выполняемых при одновременном относительном упрощении системы.
Относительным упрощение системы является только потому, что, как правило, количество элементов становится меньшим. Однако при этом сложность уходит в более высокую (а значит, более сложную!) организацию вещества и энергии в элементах.
Процессы развертывания-свертывания могут чередоваться для разных видов системы одного и того же типа, и могут идти параллельными путями, то есть могут сосуществовать в своих нишах техносфере разные по сложности системы одного типа.
В целом в ТРИЗ совокупное действие процессов развертывания-свертывания представляется так называемой «Волной эволюции» систем71 (рис. 15.8). Трапециями показаны процессы, существенные для соответствующего периода.
Линии развертывания (а) и свертывания (b) представлены на рис. 15.9.
Пример 97. Электроника и компьютеры. Потрясающим примером разнообразия и прогресса, в котором полностью реализована закономерность развертыва- ния—свертывания систем, являются компьютеры. Вы можете посмотреть любую книгу по истории компьютеров от первых машин середины 1940-х годов до середины 2006 года, чтобы самостоятельно увидеть подтверждение этой закономерности. Кратко можно указать на следующие примеры: первые компь-
ютеры на электронных лампах были менее мощными в вычислительных возможностях, чем любой современный многофункциональный карманный калькулятор, а их конструкции состояли из многих металлических шкафов и занимали целые комнаты; за последние 8 лет (с 1998 года) произошел невероятный рост тактовой частоты работы, а значит, и почти такой же рост производительности, персональных настольных и носимых компьютеров с начального среднего уровня около 200 Мегагерц до более чем 3000 Мегагерц (3 Гигагерц) при тех же размерах конструкции; ведущие фирмы продолжают создавать вычислительные комплексы, состоящие из тысяч и десятков тысяч процессоров (развертывание!). Примеров здесь очень много, особенно с учетом роста функциональных возможностей и интеграции с системами управления.
Такие же примеры Вы легко обнаружите, если проследите мысленно изменение радиоприемников и телевизионных приемников, а также аудио- и видеозаписываюших устройств в вашем доме, изменение телефонных устройств.
Пример 98. Микропроцессоры и микросхемы памяти. Пример частичного свер-
тывания; оперативная память RAM персонального компьютера сегодня состоит из нескольких конструктивных микроплат. Полное свертывание: микропроцессор на одном кристалле или в виде одного конструкционного элемента (микросхема).
15.2.5. Мета-модель Длинные экономические волны (циклы) Кондратьева. Эко-
номисты хорошо знают модель циклического развития экономики, характеризующуюся волнами, имеющими стадии подъема, процветания, снижения и депрессии. Основу каждого цикла составляют крупнейшие открытия и изобретения, сделанные как правило на интервалах депрессии и полагающие начало очередной технической реконструкции цивилизации, а следовательно, и подъему экономики. Модель была предложена в 1925 году в России экономистом Н. Кондратьевым и вскоре признана во всем мире.
Для стран, отличающихся уровнем развития, эти волны имеют расхождения во времени и в специфических особенностях, однако в целом во всех экономических системах этот закон проявляется вполне отчетливо. Более того, эти процессы свойственны и мировой экономике из-за все более растущего мирового рынка. Эти волны следует прогнозировать и учитывать в стратегическом планировании разработки новых технических систем.
Так, в основе развития XVIII века лежали такие изобретения как паровой двигатель и ткацкий станок. Второй цикл, приходящийся на XIX век, связан с развитием металлургии и железнодорожного транспорта. На XX век приходятся третий цикл, обусловленный развитием электротехники, химии и автотранспорта, и четвертый цикл, обусловленный развитием авиастроения, высокомолекулярной нефтехимии и электроники.
В ряде прогнозов указывается, что начало XXI века совпадает с началом нового экономического подъема. Прогнозируемый пятый цикл связывается с развитием целого комплекса направлений: биотехнологии, лазерная техника, микроэлектроника и нанотехнологии, системы коммуникации типа интернет,
искусственный интеллект, космическая индустрия. Назрела также потребность в кардинальном изменении автомобильного и железнодорожного транспорта.
15.2.6. Мета-модель Переходы в надсистему — подсистему. Эта мета-модель хорошо коррелирует с моделями развертывания—свертывания, но имеет некоторые специфические особенности, когда исходная система «исчезает», а функция ее остается, но передается либо в надсистему, либо в развившуюся часть самой этой системы.
Надо помнить, впрочем, что многие типы систем сходного назначения продолжают длительное время сосуществовать совместно, параллельно во времени, занимая свои ниши в техносфере. Этот прием позволяет новой системе В преодолеть функциональное сопротивление со стороны «старой» системы А и блокирующее влияние инерции интересов производителей системы А (см. схему 14.1). Это означает, что конкуренция нового со старым может быть не столь драматичной. Более того, в принципе можно представить себе такую идеальную картину, когда крупные производители технических систем откажутся от преследования сугубо экономических корыстых целей, а всегда будут инициаторами и создателями прогрессивных крупномасштабных инноваций.
Формула перехода в надсистему: новая система В приходит на смену системе А, включая систему А как одну из подсистем.
Пример 99. Удаленное считывание данных. Считывание показаний квартирных датчиков расхода воды, газа и электроэнергии производится без посещения квартиры служащими соответствующих компаний, а с помощью дистанционного опроса этих приборов прямо с автомобиля, движущегося по улице, при этом в приборах содержится передающий радиопередатчик — функция считывания вынесена в надсистему сбора информации. Легко продолжить этот пример, подключив приборы к интернет. Таким образом, прибор стал частью надсистемы, так как одна из его важнейших функций — «передача» показаний — технически включена в надсистему, которой эти показания и нужны. Здесь инновация означает развертывание надсистемы и свертывание подсистемы.
Формула перехода в подсистему: новая система В приходит на смену системе А, как одна из ее бывших подсистем, забирая при этом все функции системы А.
Пример 100. Электрическое мотор-колесо. Первые большие карьерные самосвалы строились по традиционной схеме «дизельный двигатель — электрогенератор — электродвигатель — трансмиссия на каждое колесо — колеса». Вскоре был изобретен самосвал со следующей схемой: «дизельный двигатель — электрогенератор — электродвигатели-колеса», в которой электродвигатель встроен в каждое колесо. Это резко упростило всю систему, так как регулирование мощности и числа оборотов электродвигателя намного проще, чем в механической трансмиссии. Таким образом, механическая трансмиссия полностью исключена, а ее функции перешли к двигатель-колесу, в котором и двигатель стал частью колеса! Сверхэффектом такого свертывания стало
улучшение управляемости самосвалом. Здесь, фактически, произошло свертывание прежней системы привода на колеса и развертывание самого колеса.
15.2.7. Мета-модель Линии «Моно — Би / Поли — Моно». Эту модель часто
путают с рассмотренной выше. Они действительно похожи по механизму образования новых систем. Однако, в модели перехода в надсистему-подсисте- му система А сохраняется соответственно, либо как часть в структуре системы более высокого ранга (надсистема сбора информации включает первичные измерительные прибоы как датчики), либо как часть системы более низкого ранга.
Линии «Моно — Би / Поли — Моно» (рис. 15.10) показывают возможность формирования систем одного и того же ранга, но с разной степенью сложности и функциональности. А теперь, после сделанного уточнения, можно сказать, что эта же модель может применяться и как механизм перехода в надсистему или в подсистему. Просто это не главное ее назначение.
Исходная техническая система (моно-система) удваивается с образованием би-системы, и многократно увеличивается при обединении нескольких систем с образованием полисистемы. Как видно из рис. 15.10, могут объединяться системы с одинаковыми функциями, с функциями, имеющими отличия в параметрах (со смещенными свойствами), разнородными и инверсными (противоположными) функциями.
Во всех этих случаях главным признаком изобретения является возникновение нового системного качества, отсутствующего по отдельности у ранее существовавших систем.
Пример 101. Коллекция ножей. Если нож как моно-систему соединить с другим ножом, то получатся ножницы, имеющие иные свойства. Если металлическую пластину с определенным коэффициентом линейного расширения соединить параллельно с пластиной, имеющей другой коэффициент линейного расширения (то есть ту же функцию, но со сдвинутым параметром), то получим биметаллическую пластину с новым свойством — изгибание при нагревании (охлаждении). Если последовательно соединить пластины с одинаковым коэффициентом линейного расширения, но с инверсным направлением расширения (положительным и отрицательным), то получим би-систему с нулевым коэффициентом расширения!
Пример 102. Крылья летательных аппаратов. Реинвентинг по мета-модели
«Моно — Би / Поли — Моно» приведен на рис. 15.11. Исторически параллельно начали развиваться все виды самолетных крыльев: моноплан, биплан и полипланы. Вскоре более высокие показатели эффективности были достигнуты для бипланов, однако стремление получить как можно более высокую скорость полета привело к преимущественному развитию монопланов. Бипланы, неприхотливые к обустройству взлетно-посадочной площадки, постепенно были все же вытеснены быстрыми монопланами. Полипланы в конце 1930-х годов и вовсе были забыты. Это направление считалось неперспективным. Теория развивалась преимущественно для моноплана и, частично, для биплана. Монопланы достигли гиперзвуковых скоростей в 5, 7 и 10 скоростей звука, и рекордных высот более 100 км (исключительно военные машины)! Однако, некоторые качества моноплана оставались дорогими. Например, крыло-моноплан сложно в изготовлении и в управлении, имеет высокий вес.
Всередине 1950-х годов в Московском авиационном институте под руководством С. Белоцерковского сложился коллектив энтузиастов, разработавший впоследствии теорию и практические конструкции для полипланов. Возрождение забытого привело за минувшие годы к открытию выдающихся свойств полиплана и к созданию действительно нового направления для развития самолетов будущего. При одинаковой подъемной силе вес полиплана в 4—6 раз меньше веса крыла со сплошным сечением и в 2—3 раза меньше веса крыла с полым сечением. С помощью динамизации шага между планами достигнута практически постоянная степень устойчивости во всем диапазоне скоростей от самых малых до гиперзвуковых! Сборка полипланов намного проще, чем крыла-моноплана.
Вэтом примере Вы можете увидеть своеобразное обращение времени и возврат в прошлое, или, еще лучше — воспоминание о будущем, как подобное явление назвал бы известный исследователь удивительных загадок ушедших земных цивилизаций фон Деникен72!
Практически же мы можем сделать вывод о том, что приемы, собранные в этой мета-модели, показывают, что переходы могут идти не только строго
линиям «Моно — Би / Поли — Моно», но и по линиям «Би / Поли — Моно — Би / Поли» или «Моно — Би / Поли». То есть, мы снова видим свойственную почти всем приемам ТРИЗ возможность версификации или обращения направления действия.
15.2.8. Мета-модель Линии развития ресурсов. Развитие систем в направлении роста идеальности связано с достижением таких свойств, как повышение степении координации ресурсов и применения хорошо управляемых ресурсов.
Управляемость системы является свидетельством ее высокого развития. Но управляемость возможна только в том случае, когда управляемые компоненты системы используют динамизированные ресурсы, управляемый параметр которых изменяется в нужном диапазоне.
Эти тенденции отражены в линиях развития ресурсов. Наиболее важные ме- та-модели представлены ниже.
Переход к высокоэффективным полям приведен на рис. 15.12.
Здесь следует иметь в виду, что некоторые из этих «полей» нужно рассматривать как физико-математические понятия. Например, если расмотреть все множество механических сил, приложенных к объекту, как множество векторов, то это множество и образует пространственное поле действия этих сил, или механическое поле.
Далее, к механическим полям здесь отнесены также акустическое и гравитационное. Гравитация сообщает вес всем телам на Земле. Хотя само по себе гравитационное поле имеет далеко не полностью раскрытые свойства.
Пример 103. Забивание свай. В течение одного десятилетия в 1970-х годах отмечено развитие способов забивания строительных свай по всей приведенной линии: падающий молот (гравитационный «механизм») — гидравлический молот — электрогидравлический удар (на основе эффекта Юткина) — электромагнитный молот (разгоняется в соленоиде) — «электромагнитная свая»: свернутая би-система «свая—молот», в которой поверхностный слой головки бетонной сваи пропитывается электролитом, бетон становится проводником, а вместо молота разгоняется сама свая. Следует отметить, что параллельно с этими инновациями были признаны изобретениями и несколько пневматических молотов, обладающих простой конструкцией.
Следующие три линии также связаны с динамизацией систем. Примеры для иллюстрации дробления инструмента (по рис. 15.13):
Пример 104. Линия дробления хирургического инструмента: металлический скальпель — ультразвуковой скальпель — вода под давлением — лазерный луч.
Пример 105. Линия дробления режущего инструмента газонокосилки: цельные металлические вращающиеся ножи — вращающаяся металлическая цепь — вращающаяся леска — вращающаяся струя воды под давлением.
Примеры для иллюстрации дробления вещества (по рис. 15.14):
Пример 106. Уменьшение трения скольжения в парах вращения «вал — опора»: непосредствеенный контакт трущихся металлических поверхностей вала