基于TRIZ理論的定時喚醒眼罩結構設計*

徐鑫茹，王一龍，劉仁實，姜雪松

（東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著人們工作和生活壓力不斷增大，睡眠質量不斷下降，睡眠障礙嚴重影響了人們的日常生活[1]。在目前眼罩耳塞使用過程中，存在佩戴耳塞聽不到鬧鐘鈴聲和鬧鐘鈴聲過大影響同一室內休息者的問題，因此迫切需要一種新型的眼罩耳塞結構設計，達到既能屏蔽外界的光與噪音又能夠喚醒使用者的目的。杜浩明等[2]發明了一種帶鬧鐘的“藍牙耳機”，將隔音耳塞與手機或者鬧鐘通過藍牙進行連接，從而起到能夠喚醒使用者的效果，這樣設計大大增加了耳塞的成本，同時也浪費手機電量，對于一些住校沒有手機的中學學生更是不適用。鄒志軍等[3]在耳塞內部加入芯片、震動器來喚醒使用者，嚴重影響了耳塞的舒適性，且耳塞內空間不足增加了制作的難度。目前，將TRIZ理論應用于定時喚醒眼罩設計的文獻較少，本文針對這一領域進行研究，并對其中存在的矛盾進行分析，得到符合TRIZ發明原理的定時喚醒眼罩的創新設計。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論即發明問題解決理論，是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒于1946年帶領一批學者在研究了世界各國200萬份高水平專利的基礎上，提出的一套發明問題解決理論和方法[3]。TRIZ理論是指導人們利用科學的思想來解決發明過程中遇到的一些矛盾，包括物理矛盾和技術矛盾。它的目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。應用TRIZ理論可大大加快人們創造發明的進程，并獲得高質量的新產品。但是TRIZ理論自身不能夠有效地尋找矛盾所在處[4]。

TRIZ理論解決問題的一般過程包括5個步驟：分析問題、找準沖突、原理解決、對比評價、具體實施。具體解題步驟見圖1。

圖1 TRIZ具體解題步驟流程圖

2 基于TRIZ理論的矛盾分析

2.1 問題描述

日常生活中，人們的休息質量會因聲音或光線干擾而受到影響，尤其在類似學校寢室這種多人共同居住的狹小環境下，大多數人會佩戴眼罩和耳塞來輔助睡眠。耳塞和眼罩可以隔絕外界的聲音和光線，但同時也會引起因佩戴耳塞錯過鬧鐘鈴聲和因佩戴眼罩而錯過起床時間的問題。同時，由于耳塞的體積較小，也存在容易丟失的問題。

2.2 矛盾分析

矛盾分析是TRIZ理論中的常用工具，主要分為物理矛盾和技術矛盾[5]。技術矛盾是指為了改善技術系統中的某個參數，導致該技術系統中另一個參數惡化，是兩個參數之間的矛盾；物理矛盾是指對系統的同一參數有不同的要求。

根據上述問題，可將眼罩與耳塞看作一個系統，我們通過眼罩-耳塞系統對眼罩與耳塞的矛盾進行分析，利用TRIZ理論的4條分離原理和40條發明原理求得上述問題的理想解。

2.2.1 物理矛盾

本系統的物理矛盾可定義為：在夜晚，人們需要耳塞隔絕外界聲音以避免噪聲對睡眠的影響；在清晨，人們又需要耳塞不太隔音從而能夠聽到所設置的鬧鐘鈴聲，即人們希望耳塞既完全隔音又不完全隔音。

在現代的TRIZ理論中，解決物理矛盾的分離方法有分離矛盾需求、滿足矛盾需求、繞過矛盾需求。其中分離矛盾需求又包含空間分離、時間分離、關系分離、方向分離與系統級別分離[6]。

對于上述的物理矛盾，空間分離是不適合的，因為有沖突的參數要求的位置是相同的。時間分離是適合的，因為有沖突的參數要求的時間是不相同的?？梢圆捎肗10預先作用原理來實現時間分離，即預先將物體安放妥當，使它們能在現場最方便的地點立即發揮所需要的作用。

2.2.2 技術矛盾

利用TRIZ理論中的39個技術參數來描述技術矛盾，技術矛盾可定義為：欲改善的參數N38自動化程度（眼罩-耳塞系統能夠在規定時間喚醒使用者）與欲惡化的參數N36系統的復雜性（眼罩-耳塞系統的元件數目多樣性會增加其復雜性）的沖突；欲改善的參數N35適用性及通用性（改善后可增加其通用性與適用性）與欲惡化的參數N26物質或事物的數量（元件數目增多）的沖突；欲改善的參數N12形狀（改變眼罩-耳塞系統的結構）與欲惡化的參數N32可制造性（增加了制造難度）的沖突。

確定技術矛盾后，由39個工程參數與40條發明原理建立對應關系而組成的39行39列的矛盾矩陣，通過矛盾矩陣查找相應的交點解決方案確定創新原理[7]。具體見表1。

表1 局部矛盾矩陣

根據表1所示的矛盾矩陣可以查出可用的發明原理，見表2。

表2 可用的發明原理

3 定時喚醒眼罩的結構設計

3.1 基于矛盾矩陣的設計方案

根據定時喚醒眼罩的設計需要，本文篩選出N24借助中介物原理、N10預先作用原理、N17向另一維度過渡原理、N3局部性質原理、N32改變顏色原理，對現有的眼罩、耳塞的結構進行改進，從而解決上述矛盾[8]。

3.1.1 向另一維度過渡原理

向另一維度過渡原理即可以利用多層結構代替單層結構，運用該原理將眼罩內部設計為3層結構，在眼罩最外層與第二層的夾層間固定計時器，使用者可使用計時器進行設置時間的操作。

3.1.2改變顏色原理

改變顏色原理即可以改變物體的顏色和透明度，運用該原理將眼罩最外層用以顯示計時器的顯示屏與按鈕的部位設計為透明，便于使用和操作。眼罩最內層采用絨面布料，增加佩戴的舒適度。

3.1.3 預先作用原理

預先作用原理即預先將物體安放妥當，使它們能在現場最方便地點立即發揮所需要的作用。為了達到在規定時刻喚醒使用者的目的，利用該原理，在眼罩內部設置計時器，使用者可自行設置時間，耳塞尾部連接一個金屬腔體，蜂鳴器安置于金屬腔體中，規定時間到達時，蜂鳴器響起。

3.1.4 借助中介物原理

借助中介物原理即利用可以遷移或有傳送作用的中間物體，由于耳塞的隔音性能，耳塞尾部安置的蜂鳴器的聲音很難傳遞至人耳，可借助中介物質實現，例如在耳塞體內設兩個軟細導管，利用軟細導管將蜂鳴器聲音傳遞至人耳中。

3.1.5 局部性質原理

局部性質原理即物體的不同部分應當具有不同的功能，眼罩及內部計時器起到屏蔽外界光線以及設置時間的作用，耳塞及軟細導管起到屏蔽外界聲音以及傳遞金屬腔體內蜂鳴器聲音的作用。

3.2 定時喚醒眼罩總體結構設計

利用上述原理進行創新設計，本文設計的定時喚醒眼罩主要由眼罩和靜音耳機構成。眼罩和靜音耳機之間通過連接帶連接。連接帶一端與眼罩內的計時器電性連接，另一端與隔音耳機內部的蜂鳴器電性連接，兩個隔音耳機分別位于連接帶1/4的位置。定時喚醒眼罩總體結構見圖2。

圖2 定時喚醒眼罩總體結構示意圖

3.2.1 眼罩結構設計

眼罩內部設計為3層結構，在眼罩最外層與第二層的夾層間固定一個計時器，計時器包含顯示屏與按鈕，計時器與連接帶電性連接。眼罩左部設有USB插口，眼罩內表面由絨面布料制成。眼罩的結構示意圖見圖3。

圖3 眼罩結構示意圖

3.2.2 靜音耳機結構設計

隔音耳機包括連接帶、耳塞、軟細導管、金屬腔體、隔音棉和蜂鳴器，連接帶一端與計時器電性連接，連接帶另一端與蜂鳴器電性連接。耳塞材料為高密度溫感活性記憶棉，耳塞體內設有兩個軟細導管用于傳遞蜂鳴器聲音，軟細導管兩端開口處呈矩形，易于聲音傳播至使用者耳中；耳塞尾部連有金屬腔體，蜂鳴器、隔音棉位于金屬腔體內部，蜂鳴器嵌入隔音棉中，從而減少蜂鳴器聲音對外界的干擾。隔音耳機結構示意圖見圖4。

圖4 隔音耳機結構示意圖

使用者可通過眼罩設置時間，當預設的鬧鐘時間到達時，隔音耳機內的蜂鳴器響起，因金屬腔體和隔音棉的隔音作用，蜂鳴器的聲音不會傳遞至外界，蜂鳴器聲音通過耳塞內的軟細導管傳遞至人耳中，從而喚醒使用者。

4 結束語

目前市面上的耳塞在使用過程中存在易丟失、佩戴時易錯過鬧鐘鈴聲等問題。本文利用TRIZ理論分析了眼罩和耳塞在使用過程中存在的物理矛盾和技術矛盾，利用TRIZ理論的4條分離原理和矛盾矩陣找到相應的發明原理，并結合實際情況選擇適當的發明原理，找到解決問題的新方案，設計出滿足要求的新結構。

本文闡述的定時喚醒眼罩是眼罩耳塞一體化設計，可避免耳塞丟失的問題，將傳統的耳塞改造為靜音耳機，既可以屏蔽外界聲音又可以在規定時刻喚醒使用者，結構簡單、設計巧妙，適于推廣使用，具有很大的市場前景。