TRIZ創新理論在工業設計中的應用*

楊生紅，嚴 軍，郭 強

(青海大學 機械工程學院，青海 西寧 810016)

當今時代作為一個知識經濟高速發展的時代，創新已經成為促進經濟和社會發展的內在力量，創新能力也已成為衡量一個國家和企業綜合實力的重要指標。提高創新能力、拓展創新思維和運用創新方法不僅能夠為企業提供技術驅動力，也對人類文化的傳承和技術方式的變革起到重要的作用[1]。工業設計作為一門體現人類技術和文化結晶的重要學科，其創新性便是學科的靈魂所在，無論是新、舊石器時代的砍斫器，還是農耕生產時代的生產工具，亦或是二戰后期美國的流線型設計，自始至終都以產品的創新性為關鍵特征。TRIZ理論以創新為出發點，總結了一系列豐富的創新理論和嚴謹的創新方法，為工業設計學科提供了一定的設計思路。

1 TRIZ理論體系結構

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ即“發明問題解決理論”(The Theory of Inventive Problem Solving)，是一門科學的創造方法學[2]，是基于技術系統演變的內在規律來對問題進行邏輯分析并引導人們去創新的工具， 是以蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)為首的一批學者從1946年開始，歷經50多年對世界上250多萬件發明專利加以研究、歸納和提煉，建立的一整套系統化、實用性的解決發明問題的理論、方法和體系。TRIZ理論提供了一系列工具，如系統進化法則、40個發明原理和矛盾矩陣、76個發明問題的標準解和ARIZ算法、物—場模型分析算法等。

1.2 TRIZ理論的創新思維方法

思維是人們基于客觀事物和主觀經驗時對事物的認知過程，決定著一個人的行為方式，創新思維包括創造思維、邏輯思維和批判思維，是指在創造具有獨創性成果的過程中對事物的認知活動，是人們運用現有經驗開拓新領域的思維能力，是通過學習可以培養發展的能力，創新思維的培養可以為實際問題的解決提供新穎獨特的方法，提供事物變化的多種可能性。

TRIZ理論包含了許多系統、科學而又富有可操作性的創造性思維方法，如多屏幕法、STC算子法、小人法、金魚法和最終理想解法等。多屏幕法指在分析和解決問題時，不僅要考慮當前系統，還要考慮它的過去和未來，不僅要考慮當前系統，還要考慮它的子系統和超系統，以及當前系統的過去和未來的子系統、超系統，從時間和系統層級2個角度對問題進行分析；STC算子法基于尺寸、時間和成本的單一因素進行分析，目的在于讓我們的思維進行有規律的、多維度的發散，有助于我們打破思維習慣的束縛，將很多看似很難、無從下手的問題變得簡單[3]；小人法是將物體中不能完成的非兼容的要求部分用許多能動的小人進行假設并表示，根據情況將小人分組，分析原始情況并重建物體模型，使模型符合所需的理想功能，并且使原始的矛盾被消除；金魚法又稱情境幻想分析法，將情境分為現實和幻想2部分，分析不現實部分的原因，并引入其他資源將不現實想法變為現實，并不斷分析直到全部變為現實；最終理想解法是指在解決問題之初，先拋開思維慣性的限制，通過理想化來定義問題的最終理想解，明確理想解所在的方向和位置，保證在解決問題過程中沿著此目標前進并獲得最終理想解。這種逆向思維的方法有助于我們在解決技術系統矛盾時提升創新設計的效率。

1.3 TRIZ理論的系統進化法則

阿奇舒勒先生在分析大量專利的過程中發現，任何領域的產品及其技術的發展都遵循一定的客觀規律，而且同一條規律往往反復應用于不同的產品。系統技術進化法則的S曲線揭示一個技術系統的進化過程都要經歷4個階段，分別是嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，且不同的階段都顯現出不同的特征，直到技術系統進化到一定程度后，才會出現一個新的技術系統來替代。系統進化法則以系統的角度為新產品的開發提供了方向。

1.4 TRIZ理論的矛盾及沖突原理

TRIZ理論將產品或系統的進化過程描述為不斷解決產品所存在的矛盾的過程，未克服矛盾的設計毫無創新性可言。最典型的2種矛盾是技術矛盾和物理矛盾，技術矛盾表現為系統中2個參數之間的矛盾，TRIZ理論提出用39個通用工程參數描述系統改善和惡化的方面，通過查找矛盾矩陣可對系統技術矛盾的解決提供有效的方案，其關系如圖1所示。

圖1 技術矛盾與物理矛盾的關系

物理矛盾指為了實現某種功能，系統或元件應具有一種特性，但同時出現了與此特性相反的特性，物理矛盾的解決以分離原理為出發點，通過空間分離、時間分離、條件分離、整體和局部的分離4個方面進行求解，每個分離原理都可與40個發明原理中的若干原理相對應。

1.5 物—場分析方法及標準解

物—場模型分析法是TRIZ理論中針對一個重要問題的構造、描述和分析工具，其采用專門的圖形化的語言來表示問題原因。技術系統的建立是為了執行特定的功能，所有的功能又可以分解為2種物質和1種場，即三要素(工件、工具和場)，技術系統的功能模型就可以用一個完整的物—場模型來表示，為問題的進一步解決創造條件。

物—場模型的建立有助于使問題聚焦于關鍵子系統上并確定問題所在的“模型組”，常見的模型類型有4種：有效完整模型、不完整模型、效應不足的完整模型和有害效應的完整模型。針對不同類型，阿奇舒勒又歸納出不同的解決方案，76個標準解是在物—場模型的基礎上提出的對技術系統的有害、過渡和不足等情況的解題方法。標準解法針對標準問題提出，是適用于解決標準問題并能夠快速獲得解決方案的一種工具。

1.6 發明問題解決算法

發明問題解決算法(ARIZ)主要是針對復雜問題、矛盾及其相關部件不明確的技術系統而提出的一套完整的分析和解決問題的方法，是對初始問題進行一系列變形及在定義等非計算的邏輯過程實現對問題的逐步深入分析和轉化，最終解決問題，重點針對較高級別的發明問題，力求解決問題的物理矛盾。ARIZ解決問題的流程主要有9大部分，分別是：現有問題分析、問題模型分析、描述問題的最終理想解(IFR)和物理矛盾、調動和使用物質—場資源、運用TRIZ知識庫、改變或替換原有問題、分析已得到的方案、應用已得到的方案以及分析解決問題的整體流程。

2 基于TRIZ理論實現產品優化

腳踏開關作為信號輸入的一部分，在諸多醫療設備，如X光機、計算機斷層掃描裝置(CT)中起著重要作用。腳踏開關與醫療設備相連接，在相關按鍵被觸發時，相應的控制信號通過腳踏開關及其連線傳遞給控制設備。目前，對腳踏開關的觸發方式是通過在腳踏開關的踏板上施加一定的力進行觸發，且只有當施加的力達到一定程度時才會被觸發。如果僅是輕微接觸腳踏開關的踏板，或施加在踏板上的力未達到觸發力度，則仍處于未觸發狀態，這種方法可以起到避免誤觸發的目的；但仍然不能完全避免誤觸發，如病人或者是醫護人員走動時不小心踩在腳踏開關上導致誤觸發。另外，由于醫院中存在各種污染物，如水和酒精，甚至是病人的體液和血漿，而且灰塵也容易進入腳踏開關的踏板與隔離板之間、踏板與底座的縫隙之間，這些污染物及灰塵會影響電路板的連接，減少使用壽命，嚴重時可能導致腳踏開關的損壞。TRIZ創新方法的引進，可以為此類問題提供明確的設計思路。

1)建立物—場模型圖。將腳踏開關系統看作“工具”，作用于“醫療設備”，可獲得如圖2所示的功能模型；將開關看作“工具”，作用于“信號”，可獲得如圖3所示的功能模型；將腳看作“工具”，作用于“開關”，將執行的機械力看作“場”，可獲得如圖4所示的功能模型。

圖2 醫療設備腳踏開關功能模型

圖3 腳踏開關傳輸信號功能模型(將開關看作“工具”)

圖4 腳踏開關傳輸信號功能模型(將腳看作“工具”)

2)問題求解。根據TRIZ理論物理矛盾的定義，為了實現設備信號控制，希望腳踏開關力度適中，能正確傳遞信號，卻又出現誤操作，形成關于力的物理矛盾。通過空間分離方法，將腳踏開關放置于由底板、頂板以及前板圍合形成的腳踏開關存儲空間內達到對腳踏開關的保護目的，使得腳踏開關在未使用時，能夠最大限度地避免被誤觸發而損壞昂貴的醫療設備[4](見圖5)，并且盡量防止污染物對腳踏開關造成損傷，延長產品使用壽命。優化后的產品在生產中實現了一次性塑料注射成型，不僅結構簡單、效果實用，而且保障了腳踏開關及醫療設備的使用安全(見圖6)。

圖5 腳踏開關保護裝置平面圖

圖6 腳踏開關保護裝置三維圖

3 TRIZ理論在新產品開發中的啟示

針對目前在智能手表開發過程中，在實現智能化時出現的突出問題，通過TRIZ理論的方法進行研究并給出一定建議。

3.1 問題描述與分析

目前，在智能手表系統中存在3個方面的矛盾，主要為物理矛盾，涉及到的3個方面矛盾見表1。

表1 智能手表系統矛盾列表

建立產品根原因分析圖(見圖7)。

圖7 根原因分析圖

3.2 沖突區域確定

上述沖突主要表現為屏幕既要大又要小，電量容量既要大，電池體積又要小，集中表現為大與小的沖突，屬于物理沖突。采用分離原理，將矛盾雙方分離，分別構成不同的技術系統，以系統與系統之間的聯系代替內部聯系，將內部矛盾外部化。

利用分離原理，案例中的屏幕這一沖突屬于分離原理中的空間分離和條件分離，將屏幕的大與小這對矛盾在不同的使用條件下進行分離，套用40條發明原理中的分割、組合、多功能性、借助中介物、柔性外殼或薄膜原理進行解決；電池體積大與小的矛盾屬于分離原理中的時間分離和條件分離，查找發明原理，可采用有效作用的持續性、自服務和一次性用品替代等原理提出有效的解決方案。

3.3 擬采取的解決方案

1)根據智能手表設計趨向最小化的要求，在固定整體體積的情況下，將顯示屏與主體分離，使其可拆卸和重疊，需要時組合成最大化屏幕，其余時間以小屏幕為主，屏幕鍵盤可設計為觸摸式，有效解決手機設計要求大和小2個方面的物理矛盾。

2)因以手表為載體，體積太大易造成攜帶不方便，可在屏幕頂部設計投影燈，將畫面投影到書本、桌面和墻面等其他媒介，提高可讀性。這樣就實現了屏幕增大的根本性突破，而手機體積可以保持不變。

3)采用虛擬技術實現更先進的屏幕顯示技術的創新，在手表上方設計1個三維顯像燈，將手表中的三維圖像顯示在手表上方一定范圍的空間中，甚至可以實現在通話過程中的三維顯示，與對方通話時可以將對方的三維全息影像顯示的面前。

4)提高電池設計的高效性，拋棄鋰聚合物電池，達到只用卡片式小體積，卻可使用更長的時間。或通過新能源完成充電，增加續航能力。

3.4 方案確定

鑒于智能手表中手機通信等功能的重要性，將手表與手機功能很好地結合，形式上以手機一邊為參考位置折疊成三折，形成表鏈，可通過在手機后背上覆貼一些可活動貼片來滿足表鏈長度的可調節性(見圖8)。

圖8 方案效果圖

4 結語

TRIZ創新理論對創新方法進行了系統的整理和提煉，為企業解決工程問題提高了效率，在產品創新設計和產品改良設計中可以選擇合適的創新技術，從而對設計思路進行了拓展，打破了思維定勢，提高了創新能力，引領并創造利于人類生活的先進的、合理的生活方式[5]。

[1] 張磊.TRIZ理論對工業設計的影響[J].藝術與設計，2007(9):147-149.

[2] 孫曉歐.TRIZ理論基礎教程[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，2013.

[3] 黃永玉.TRIZ理論的創新設計方法研究[J].河南科技，2003(11):122-124.

[4] 楊生紅．一種醫療設備腳踏開關的保護裝置：中國，201420020298.8[P]. 2014-08-20．

[5] 張林，黃亞宇.基于TRIZ理論的爬樓輪椅行走機構創新分析與設計[J].新技術新工藝，2014(10)：62-64.

*科技部創新方法工作專項項目(2012IM020800)