20世纪,一个关于创新发明的理论体系被前苏联封锁了近半个世纪(向其他国家严格保密)。
这个理论体系的创立者曾经接受过前苏联克格勃(国家安全委员会)负责人贝利亚的接见,又被流放到著名的古拉格(位于西伯利亚)。
即使在劳改营中,面临随时有被处决的危险,这位科学家和发明家仍然每天工作12-14小时开发和完善他的理论。
上世纪80年代中后期,随着一批前苏联科学家移居美国和其他西方国家,该理论才逐渐为人所知。美国、日本和韩国等各大公司陆续采用这套理论推动产品和技术创新。其中,最为典型的是三星,曾经在90年代末期负债累累,广泛运用这套理论后,不仅起死回生,并且成为创新大户。
这个传奇的理论(体系)就是TRIZ!
它是俄文:теории решения изобретательских задач 的缩写“ТРИЗ”,翻译为“发明家式的解决问题理论”,用英语标音可读为Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,缩写为TRIZ。英文说法:Theory of Inventive Problem Solving,TIPS,在欧美国家有时缩写为TIPS。
TRIZ理论是由前苏联发明家和科学家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuler)在1946年创立。阿奇舒勒也被尊称为TRIZ之父。1946年,阿奇舒勒开始了发明问题解决理论的研究工作。当时阿奇舒勒在前苏联里海海军的专利局工作,在处理世界各国著名的发明 专利过程中,他总是考虑这样一个问题:当人们进行发明创造、解决技术难题时,是否有可遵循的科学方法和法则,从而能迅速地实现新的发明创造或解决技术难题呢?答案是肯定的!
阿奇舒勒发现任何领域产品的变革和技术的创新与生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的规律可循。人们如果掌握了这些规律,就能主动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。以后数十年中,阿奇舒勒穷其毕生精力致力于TRIZ理论的研究和完善。在他的领导下,前苏联的研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体,分析了近250万份高水平的发明专利,总结出各种技术系统进化的模式以及解决各种技术矛盾的创新原理,并建立起完善的TRIZ理论体系。
TRIZ方法论与创造性解决问题
解决问题的过程,类似于在迷宫中搜索出路。有两种状况是最不利于找到出口的,一是认死理地一条道走到黑,另一种是不考虑线索地盲目试错。前者代表的是,在解决问题过程中,陷入思维惯性或心理定势;后者类似生物进化过程中的“盲目变异”,成功与否寄希望于“瞎猫碰到死耗子”般的概率。
创造性解决问题(Creative Problem-Solving)意味着,既不能限制在固定思维或者过往解决类似问题的惯性轨道上,又要在问题空间里的可行路径中寻找新的、更优的出路。Elon Musk与Space X团队就是创造性解决问题的典范。如果沿着传统火箭的制造和发射方式,成本基本没有太多下降的空间。但是他们创造性地构想出可回收的方式,加上材料和制造上的其他创新,使得飞行器整体的发射成本降低为原来的1/10左右。
TRIZ的目的和价值就在于通过一套解决问题的程序以及知识库,帮助个人和组织获得创造性解决问题的“解法”。
TRIZ方法论的本质可以用我们数学题的过程来解释。面对一个一元二次方程的题目,你可以使用试错法,将变量代入0到9的任意数字,通过对比计算结果来检验正确与否,但是效率极低。有效的解题方式是,先将这个具体的题目抽象为一元二次方程的统一模式;针对该模式,回忆(从长时记忆中提取)通用解法;然后,再将次解法类比使用在具体题目上。整个过程经历了抽象——匹配——类比的过程。抽象,是针对具体问题提取出模式;匹配,将模式与对应的通用解法进行比对;类比,将通用解法迁移到具体问题上面。
TRIZ是一套综合了理念、方法论、原理和工具在内的体系。个人认为,最核心的概念是:技术系统(Technical System)、理想化程度(Ideality)和矛盾(Contradiction,也可称为冲突)。所谓技术系统,并非深奥的理论概念,而是我们生活中司空见惯的对象。比如:
1、汽车系统:汽车作为一个技术系统,轮胎、发动机、方向盘等是汽车的子系统。而每辆汽车都是整个交通系统的组成部分,因此对于汽车而言,交通系统就是汽车的超系统。
2、空调系统:压缩机、散热板、拉门等是冰箱的子系统。而冰箱所处的环境,如:房间及其供电系统,就可以称电冰箱这一技术系统的超系统。
阿奇舒勒通过数百万份技术专利的分析发现,技术系统存在着进化的规律和模式,类似于生物进化。19世纪,达尔文乘坐贝格尔号历时5年进行环球航行,对动植物和地质方面进行了大量的观察和采集后,提出了“进化论”的假说,发现所有生物物种是由少数共同祖先,经过长时间的自然选择过程后演化而成。这个漫长过程存在一定的规律和模式。而技术系统的基本进化规律表现在:
1、无论是一个简单产品还是复杂的技术系统,具有客观的进化法则和模式;
2、技术系统中各种矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力;
可以通过“船”这个我们最为熟悉的交通工具这一技术系统的发展来直观地了解进化模式(以S曲线作为体现)。
提高技术系统的理想度(Ideality)
任何技术系统,在其生命周期之中,都是沿着提高理想度(Ideality),并向最理想系统的方向进化的。理想化是系统进化的主要推动力。理想度=收益(主要和次要的收益,一切需要的结果)/成本(所有投入)+危害(不想要的结果)
任何一个系统都可以被描述成用于构建系统的各种投入(成本)与系统输出(有益和有害)之间的关系。解决问题,说得直白一点,就是想办法增加系统的理想度。通过理想度公式可以发现,为了提高理想度我们可以把“分母”不断减小,包括投入成本和有害功能,这一过程还可能出现系统的某些组成部分消失了,这样成本以及由其带来的不利因素也随之不见了。
例如煤油灯到电灯的发展。煤油灯的结构包括:油壶(装煤油的部分)、灯芯、灯筒(罩住灯芯)、传递煤油的棉绳、还有调节灯芯高度的齿轮等。煤油灯在燃烧时会产生带有异味儿的烟尘,并且当煤油耗尽后很快灯就灭了等,这些都是有害的功能或者不希望存在的东西。当发展成为电灯后,灯的结构明显简化了,同时有害的功能和不利的特点也不见了。这就是理想度的提升。
不过,从图中可以看出相关的结构并不是真正消失了,而是变成了电灯这个小系统所在的超系统的组成部分,比如:发电厂、输电线、家庭中的电线、墙壁上的电灯开关等。这也体现了提高理想度的若干进化模式之一——向更宏观的系统(或者说超系统)转化。TRIZ理论中,在问题解决之初,先抛开各种限制条件,通过理想化来定义问题的最终理想结果(Ideal Final Result,IFR),以明确理想解所在的方向和位置,保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解,从而避免了传统创新方法中缺乏目标的弊端。如果把IFR最终理想结果看作是解决问题的目标状态(Goal State),那么与初始状态(Initial State)之间的落差,就是“问题空间”。问题空间中存在的中间状态都是解决问题存在的矛盾的步骤。可以说有多少主要矛盾需要克服,就存在多少的中间状态。
哪里有矛盾,哪里存在问题
“什么叫问题?问题就是事物的矛盾。哪里有没有解决的矛盾,哪里就有问题”(毛泽东)。解决问题,可以说就是解决矛盾。问题之所以存在,就在于矛盾。
“消除技术矛盾,是解决问题的必要条件。”(阿奇舒勒)
阿奇舒勒从海量的专利中,仔细研究其中的四万件最具创意的专利,希望从中找出解决发明问题的原理。他发现每一个具有创意的专利,基本上都是在解决矛盾性问题。更重要的是,他还发现,这些矛盾一再地出现,解决这些矛盾的基本方法在不同时间和不同领域,一再地被重复使用着。阿奇舒勒认为,矛盾主要分为:工程矛盾、社会矛盾和自然矛盾。TRIZ主要研究的是工程矛盾,而工程矛盾又分为技术矛盾和物理矛盾。
技术矛盾
技术矛盾是指当用已知的办法去改善技术系统的一部分(或者一个参数)时,该系统的其它部分(或者其它参数)就要不可容忍地变坏。常表现为一个系统中的两个子系统之间的矛盾:
• 在一个子系统中引入一种有用功能,导致另一个子系统产生一种有害功能或加强了已存在的一种有害功能;
• 消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能的降低。在日常活动中有许多这样的例子:
1. 电动汽车:把电池加大,可以提升行驶里程,但是重量也增加了,每公里耗电量也增大了。因为电池自重也会消耗能量。
2. 吹风机:将马达转速提高,风力更大,让头发干得更快,但是噪音也随之增大,并且机身发热也增加了。
3. 空调:希望制冷效果更好、更快,把空调匹数增大,但是空调体积和耗电量也跟着增加了。
4. 手机:为了待机时间更长,可以把锂电池做大,但是手机尺寸和重量也增加了。
因此,有人也将“技术矛盾”称作trade-off contradiction,权衡的冲突。权衡,意味着,系统中的两个组件或者两种参数,分别处于跷跷板的两边,一个上升,另一个不可避免地下降。
对于技术矛盾,我们常常采用的是折中或者妥协的解决办法,矛盾依然存在,但是矛盾两方面的优劣程度都能接受。不过,对于阿奇舒勒来讲,创造性地解决问题,就意味着不能妥协或者尽量少的妥协。通过大量分析技术和发明专利,他发现技术矛盾存在反复出现的特征,并总结出了39X39的矛盾矩阵。39代表着技术系统普遍存在的性能参数或者我们对于技术系统功能上的期待。竖轴代表技术系统中将要改善的参数,横轴代表随之可能恶化的参数,矛盾就体现在两者相交之处。更重要的是,这样典型的技术矛盾类型可以使用40种“创新原理”中的一种或者多种的组合来予以解决。下面例举几种原理:
一、原理(01):分割
A、一个物体分割成几个独立的部分B、使物体成易于组装和拆卸几部分C、提高物体的可分割程度生活中的实际应用:婴儿的奶粉盒,拆分成为若干个可以组装在一起的小盒子,方便携带和倒出奶粉。
二、原理(17):多维化
A、将物体由一维变为二维或由二维变为三维空间的运动B、利用多层结构替代单层结构C、将物体倾斜或侧向放置D、利用物体给定面的背面生活中的实际应用:室内或室外的停车场,将停车的架子设计制作成多层,可以装下更多的汽车,增加空间利用率。
三、原理(23):反馈A、引入反馈B、如果反馈已存在,则改变其大小或作用生活中的实际应用:公用卫生间目前普遍采用感应式水龙头,将手伸到水龙头下,因为有红外线感应,系统获得“反馈”进而自动出水。
四、原理(29):气体和液压结构
使用气体或液体的膨胀或静压缓冲功能代替物体的固体零部件生活中的实际应用:耐克的Air Max气垫运动鞋,在鞋底的气囊中加入气体,起到缓冲跑步、弹跳等动作产生的压力和冲力。
在实际工程问题中,对于某一种技术矛盾,一般会选择对应的多种创新原理进行检验。例如下面这个“太空中的锤子”的案例:
项目背景:
在地球上因为重力的存在,锤子砸到一个物体中一般不会反弹或者反弹很小,但是在重力大大减小的太空中,如果使用一般的铁或者钢制锤子,当敲击到硬的物体上会很快反弹回来,可能造成人员伤害。
解决流程:
第一步:定义技术矛盾
改善的参数:“力” (10)恶化的参数:“物体产生的有害因素”(31)
第二步:查找矛盾矩阵表(13, 3, 36, 24)
第三步:产生想法
原理序号13-逆向思维:
产生与重力场中结果相反的力,就不会伤害到人
原理序号3-局部质量:
将锤子头部一致的实体结构变成不一致结构,局部改为真空
原理序号36-相变:
利用材料的相变产生力,但会增加锥子的复杂性原理序号24-借助中介物:在真空处加入中介物水银传递或执行力
第四步:最终解决方案
综合使用了逆向思维、局部质量、借助中介物三个原理,即:将高密度的液态物质(水银)置于锤头的空腔内。通过引入水银,在锤子下落时,高密度的水银位于锤头空腔的顶部;在冲击的瞬间,水银将产生惯性力抵消了锤子的反弹力。
物理矛盾
一个技术系统中,代表系统性能的同一个参数具有相互排斥(相反的或不同)的特点,所构成的矛盾称之为物理矛盾,即:技术系统要求某一参数性质为A ,同时又要求这一参数性质为非A。例如,温度既高又低;长度既长又短;体积既大又小;光线既明又暗;材质既硬又软;容量既多又少。
日常生活中相关的例子也是不胜枚举:
1. 茶:泡茶的水温既要高一些,才能冲泡出茶叶的风味,又不能太高或者说低一些,才不至于烫嘴。
2. 粥:煮熟后的米的软硬度不能太硬,太硬意味着可能没有煮熟或者不够粘软,太软或者熬得太烂则变成了米糊。
3. 白酒:酒精的浓度不能太高,过高太烈,又不能过低,低了就少了酒的刺激。
4. 冰箱:空间要大才能容纳更多的食物,过大又会导致体积太大,不利于运输和安放。
5. 汽车:底盘需要不能太轻,太轻会导致重心不稳;又不能太重,太重的话如果发动力马力不足,速度跑不起来并且耗油。
物理矛盾,又被称为Inherent Contradiction,内在的冲突。与技术矛盾最大的区别在于,技术矛盾是一个系统里面两个子系统或者两种性能参数之间的矛盾,而物理矛盾仅是一个组件或者一个性能参数本身所存在的矛盾。所谓“又要马儿跑又要不吃草”就是这样的矛盾。物理矛盾一般表现为四种情况:
1. 系统或关键子系统必须存在,又不能存在;
2. 系统或关键子系统具有某性能“F”,同时应具有性能“-F”,“F”与“-F”是相反的性能;
3. 系统或关键子系统必须处于状态“S”及状态“-S”,“S”与“-S”是不同的状态;
4. 系统或关键子系统不能随时间变化,又要随时间变化。
空间分离
将矛盾双方在不同的空间上分离,以降低解决问题的难度。实例:一般家用冰箱为冷藏室和冷冻室两个部分,冷藏用于存在饮品、熟食、鸡蛋等;冷冻则用于保存肉类或者需要速冻的食品。这就是从空间上进行了分离,以解决有些食品的保存温度需要很低,而有些可以不那么低的矛盾。
时间分离
将矛盾双方在不同的时间段上进行分离,以找到解决问题的方法。实例:在需要打伞时,折叠伞可以展开来放大,而不用时可以折叠起来保存携带,从而解决需要遮阳遮雨又需要方便携带的矛盾。
条件分离
指将矛盾双方在不同的条件下分离出来予以解决。 实例:水管要刚性好,以免因水的重量而变形,但水管要软,以避免在冬天被冻裂。解决方案:弹塑性好的复合材料。
系统级别的分离
一个系统往往由它的子系统组成,而这个系统有可能其他更大系统的子系统。因此可以将矛盾双方在不同的系统级别分离开来,以获得问题的解决或降低问题的解决难度。实例:如何使用一个普通的测温计测量一只甲虫的体温?设计一个细小的体温计,满足甲虫的体积?太麻烦了,换一个思路:把若干只甲虫一起放在玻璃瓶中,再把温度计插入虫子中间。一只甲虫就升级为多只甲虫组成的大的系统,通过大的系统来解决测量子系统的问题。当然,针对较为复杂的问题,我们会综合采用不同的分离原理。
古时候有位土地爷,有一天他要外出,临行前嘱咐他的儿子替他在土地庙“当值”,并且一定要把前来祈祷者的话记下来。他走后,前前后后来了四个祈祷者——一位船夫祈祷赶快刮风,以便乘风远航;一位果农祈祷别刮风,避免把快成熟的果子给刮下来;一个种地的农民祈祷赶紧下雨,以免耽误播种的季节;一位商人祈祷千万别下雨,以便趁着好天气带着大量的货物赶路。
这一下子可难住了土地爷的儿子,他不知该怎么办才能满足这些人们的彼此不同的要求,只好把所有祈祷者的话都原封不动地记了下来。很快,土地爷回来了,看了儿子的记录,哈哈一笑说,别愁眉苦脸了,照我的办法做就是了,肯定能满足他们各自的要求。
土地爷提笔在上面批了四句话:刮风莫到果树园,刮风河边好行船;白天天晴好走路,夜晚下雨润良田。如此一来,四个不同的祈祷都如愿以偿、皆大欢喜。
其实,土地爷的前两句话说的是风的“空间分离”,后两句话说的是雨的“时间分离”。在TRIZ体系中,4种分离原理是与40个创新原理对应起来。以空间分离原理为例,可以利用以下10个创新原理,来解决与空间分离有关的物理矛盾。
创新原理l:分割
创新原理2:抽取
创新原理3:局部质量
创新原理4:增加不对称性
创新原理7:嵌套
创新原理13:逆向思维
创新原理17:多维化
创新原理24:借助中介物
创新原理26:复制
创新原理30:柔性外壳或薄膜
使用分离原理与对应的创新原理解决问题的一般步骤,以安全气囊为例:
物理矛盾分析:
安全气囊的充气既要快,又不能快。充气速度过快,会使气囊硬度大,伤害乘客;充气速度慢,又会导致气囊不能有效地保护乘客。可用资源主要有:空气、压力、气囊本身、安全带等。
解决过程:
第一步:定义物理矛盾
参数:压力要求1:大要求2:小(不能太大)
第二步:什么时间需要满足什么要求?
时间1:达到一定压力前
时间2:达到一定压力后
第三步:以上两个时间段是否交叉?
否:应用时间分离(✅)
是:尝试其他分离方法
创新原理16:“不足或过度作用”,
指所期望的效果难以百分之百实现时,稍微超过或稍微小于期望效果,使问题简化。受该创新原理的启发,首先可以迅速使气囊膨胀到一定的压力值。可以保证在最短的时间内达到保护乘客的气压。在气囊上面开一些微小的孔,当气囊压力超过阈值后,气囊上的微小孔会张开,使气囊的压力不再升高。从而很好地解决了气囊的膨胀速度既要快,又不能快的矛盾。
物-场分析(Substance-Field Analysis)
阿奇舒勒通过对功能的研究,发现并总结出以下三条定律:
1. 所有的功能都可以分解为3个基本元素:执行体、接受体、场(相互间的作用);
2. 一个存在的功能必定由这3个基本元素组成(必要条件);
3. 将相互作用的3个基本元素进行有机的组合形成一个功能(非充分条件)。
比如:在汽车传动系统中,机械能(场)通过发动机(物质S2)作用于车轮(S1)而使车轮(S1)向前行驶。机械能、发动机和车轮就构成了汽车行驶这一功能的三个要素。物场模型是将一个技术系统分成两个物质与一个场或一个物质与两个场,用一个三角形来表示每个系统所实现的功能。S1- 物质1:是一种需要改变、加工、位移、发现、控制等的作用 对象(作用承受者)S2- 物质2:是实现必要作用的“工具(作用发出者)”F1、F2-场 :代表“能量”、“力”,是实现两个物质间的相互作用、联系和影响。依据阿奇舒勒发现的规律:如果问题的物-场模型是一样的,那么解决方案的物-场模型也是一样的,和这个问题来自于哪个领域无关。
有效完整模型:实现功能的3个元素齐全,且有效实现功能
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不完整模型:实现功能的3个元素不全,可能缺少场,也可能是缺少(工具)物质。
标准解法:对不完整模型,应针对所缺少的元素给予引入物质或引入场,使形 成有效完整的物场模型,从而得以实现功能。
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效应不足的完整模型:3个元素齐全,但功能未有效实现或实现得不足。
标准解法:增加物质S3或增加另一个场F2来强化有用效应。S3可以是现成物质, 或是S1、S2的变异、或是环境或是通过分解环境而获得的物质。
效应有害的完整模型:3个元素齐全,但产生了有害的效应,需要消除这些有害效应。
标准解法:
1. 增加另一物质S3来阻止有害效应的产生
2. 增加另一个场F2来平衡产生有害效应的场
不完整模型的案例:
1.引入物质
2.引入新的场衣服洗完了如何变干?可以通过引入新的场,比如:
(1)甩干法:洗衣机旋转产生的离心力(机械场);
(2)烘干法:通过加热(热场)进行烘干。
效应有害的完整模型的案例:
1.增加另一物质S3来阻止有害效应的产生,S3可以是现成的物质,也可以是其他物质防晒:物质S1:紫外线;物质S2:皮肤。场:光学场。为了防晒,在皮肤上抹上防晒霜——新的物质S3。
2.增加另一个场F2来平衡产生有害效应的场太空中宇航员在空间站外修理设备时会面临极低温度,普通的手套无济于事。所以,工程师在手套中加装了发热器,新增了热场F2来平衡有害的效果。
效应不足的完整模型的案例:
1.增加新的物质S3雨雪天轮胎容易打滑,在轮胎上增加新的物质S3—铁链,以防止打滑。
2.增加另外一个场F2来强化有用的场机场为了防止鸟类撞击到起飞或降落的飞机,一般会使用模拟的炮声或者爆炸声。为了强化效果,引入了超声波——另一种场F2。
3.增加物质S3并加上另一个场F2来强化有用效应在抽油烟机清洁时,使用抹布不易擦干净,改为高温蒸汽机,增加新的物质S3高温蒸汽+新的场F2:电场
4.改变原有的物质或场为了帮助盲人在步行道上行走,在地砖上增加凸起的纹路,另外还在红绿灯处增加语音播报。
TRIZ理论体系的精粹
日本学者中川彻(日本TRIZ研究和推广达人),尝试用50个英文单词的内容来总结TRIZ理论体系的精粹(Essence of TRIZ):“技术系统是在几乎不引入外部资源的条件下,通过克服矛盾的方式朝着提高理想化程度的方向实现进化。对于创造性地解决问题,TRIZ提供了一种辩证的思考方式,即:
- 将问题看作一个系统加以理解;
- 首先设想其理想的解(最终理想结果Ideal Final Result);
- 然后设法解决相关矛盾 。“
Recognition that technical systems evolve towards the increase of ideality by overcoming contradictions mostly with minimal introduction of resources.Thus, for creative problem solving, TRIZ provides a dialectic way of thinking, i.e.,
*- to understand the problem as a system, *
*- to image the ideal solution first, and *
*- to solve contradictions. *
也许是出生和成长在前苏联的缘故,阿奇舒勒的理论体系有着浓郁的”辩证法“的底色。”事物的矛盾法则,既对立统一的法则,是唯物辩证法的最根本的法则。列宁说:’就本来的意义来讲,辩证法是研究对象的本质自身的矛盾。’列宁常称这个法则为辩证法的本质,又称之为辩证法的核心。“(毛泽东,《矛盾论》开篇)
首先,技术系统存在的最大矛盾,是系统目前状态与IFR最终理想结果之间的矛盾。因为,凡是系统都不可避免地朝着IFR的方向在进化。
其次,技术系统在S曲线的位置和方向(矢量),是由系统本身所包含及系统与其超系统之间的矛盾来推动的。
最后,解决问题存在两个关键步骤——揭示矛盾和克服矛盾。TRIZ中的技术矛盾、物理矛盾和物-场分析等工具,是在利用从技术系统进化史中发现、总结和提炼的原理、规律和模式等知识来进行矛盾的分析(揭示)并生成针对矛盾的解决方案(克服矛盾)。