Теории решения изобретательских задач

1. Субъекты ИПС.

Субъектами ИПС являются авторы изобретения, полезной модели или промышленного образца, то есть физические лица, творческим трудом которых они созданы. Если в создании объекта ИПС участвовало несколько физических лиц, все они считаются его соавторами. Право авторства охраняется бессрочно. Право на получение охранной грамоты на объект ИПС, созданный по служебным обязанностям, принадлежит работодателю: автор имеет право на вознаграждение, составляющее не менее среднемесячной зарплаты работника.

Исключительное право на использование охраняемых патентом объектов ИПС принадлежит патентообладателю.

Не признаётся как нарушение прав патентопользования: научное исследование объектов ИПС; применение их в личных целях без дохода; использование тождественного решения до приоритета заявки без расширения объёма использования.

Недействительным признаётся патент в случае: несоответствия объекта ИПС условиям патентоспособности; наличия в формуле признаков, отсутствующих в заявке; неправильного указания автора или патентообладателя.

Лица, присвоившие авторство, принуждающие к соавторству и оглашающие сведения об объекте ИПС несут уголовную ответственность.

2. Технические и изобретательские задачи.

При решении различных инженерных проблем следует отличать технические и конструкторские задачи от изобретательских. Если перед специалистом стоит задача спроектировать какое-то изделие или рассчитать какое-нибудь техническое устройство, то это можно отнести к техническим задачам. Задача становится изобретательской, если для её решения необходимо преодолеть противоречие.

Чтобы решать какую-либо изобретательскую задачу, необходимо иметь знания в той области, к которой относится эта задача. Отсутствие знаний порождает иллюзию простоты. В средние века алхимики ставили перед собой глобальные проблемы, которые невозможно было решить. Связано это было с тем, что знаний у них было недостаточно, чтобы конкретизировать задачу.

Решение изобретательской задачи начинается с экспертной проверки, которая заключается в знакомстве со всем тем, что сделано до исследователя. Наилучшим образом достигается это путём проведения патентного поиска.

3. Эвристика. Правила Декарта.

В течение многих веков творческие люди пытались найти общие правила решения изобретательских задач. Таким образом, зародилась наука Эвристика.

Эвристика (нахожу - греч.) – искусство нахождения истины, система логических приёмов, методических правил, теоретического исследования – наука о решении творческих задач.

Несмотря на многовековую свою историю, эвристика не создала эффективных методов решения изобретательских задач, так как ставила слишком большую цель – найти универсальные правила решения задач во всех отраслях человеческой деятельности.

Американский психолог Росман провёл социологические исследования. Из опрошенных изобретателей 70 % человек ответили, что научиться изобретать нельзя, нужно иметь природные дарования.

Для решения изобретательских задач существуют следующие 4 правила Декарта:

1) Начинать с несомненного и очевидного;

2) Разделять любую проблему на столько частей, сколько необходимо для её эффективного решения;

3) Начинать с простого постепенно продвигаясь к сложному;

4) Постоянно перепроверять правильность умозаключений.

4. Стадии и уровни творческого процесса (ТП) по созданию объектов ИПС.

Чтобы разобраться в технологии творчества, необходимо рассмотреть изобретательскую деятельность на каждом этапе творческого процесса и на разных уровнях его технической разработки.

Существует 5 уровней технических задач. Сам ТП может проходить на трёх качественных уровнях: низшем (Н), среднем (С) и высшем (В). Стадии творческого процесса: 1-я – выбор задачи и поисковой концепции; 2-я – сбор информации и поиск идеи решения; 3-я – развитие идеи в конструкцию. Для низшего уровня характерно использование готового объекта; среднего – частичное изменение выбранного объекта; высшего – создание нового объекта.

Таблица 1

Ориентировочно процентное соотношение между количеством изобретений Н-С-В- уровней составляет 70-25-5 %. Каждый современный инженер должен уметь делать изобретения на низшем уровне, где не приходится иметь дело с выработкой новых задач, технических идей. Высший уровень связан с использованием новых открытий. Число проб и ошибок при переходе от низшего к высшему уровню значительно возрастает. Если необходимо осуществить изобретение Н-С- уровней, обязательно должна быть использована патентная информация. На низшем уровне задача и средства её решения лежат в пределах одной профессии, на среднем – в пределах одной науки, на высшем – за пределами рассматриваемой науки (механическая задача решается химически).

Для решения изобретательских задач высшего уровня нужна эвристическая программа, позволяющая заменить перебор вариантов передвижением в район решения. Нужен эвристический алгоритм, способный свести задачу высшего уровня в 100000 проб к задаче низшего уровня в 10 проб. Для этого нужно выявить объективные закономерности развития объектов; исследовать большие массивы патентной информации; создать программу решения, в которой каждый шаг органически вытекал бы из предыдущего; постоянно совершенствовать эту программу на практике.

5. Методы творческого мышления.

При изобретательской деятельности пользуются различными приёмами, помогающими найти правильное решение поставленной задачи. Самым простым и понятным способом решения изобретательских задач является метод проб и ошибок. Выполнение его требует длительного времени. Чем выше уровень задачи, тем больше требуется проб и ошибок, то есть расширяется поисковое поле. Схематично этот метод можно изобразить в виде схемы (рис. 1.4).

Рис. 1.4

Другим приёмом является метод контрольных вопросов. Он заключается в постановке вопросов, уменьшающих психологическую инерцию. Например: «Что можно в техническом объекте уменьшить?» или «перевернуть?».

При решении изобретательских задач следует учитывать спосбности человека. Есть люди, которые легко создают идеи, но плохо анализируют, а есть люди противоположные им. Американский психолог А. Асборн , учитывая разные способности людей создал специальный метод, который принято называть «мозговым штурмом». Он заключается в том, что одна группа людей (6…10 человек), получив задачу, выдвигала различные идеи для её решения, другая группа анализировала эти идеи по определённым правилам. Продолжительность штурма 20…40 минут. Важный механизм штурма - взаимодействие и развитие идей. Мозговой штурм даёт положительный эффект в поиске новых способов рекламы, но не даёт существенных результатов на изобретательском уровне.

Американский астроном Ф. Цвикки, с целью получения для каждой задачи списка всех возможных вариантов решения, предложил морфологический анализ. Его сущность заключается в построении многомерных таблиц (морфологических ящиков), в которых осями обозначаются основные показатели данной совокупности объектов. Этот метод наиболее эффективно применяется при решении конструкторских задач (проектировании новых машин и компоновочных решений).

Например, при проектировании транспортного средства строится схема

Американский исследователь У. Гордон разработал метод синектики (совмещение с новой точки зрения. Для этого использовали 4 вида аналогий: прямую (объект сравнивался с аналогичными из другой отрасли); личную (решающий задачу вживается в образ совершенствуемого объекта); символическую (для решения задачи выбирался какой-либо известный показатель, например, для шлифовального круга точная шероховатость); фантастическую (из области фантастики). Метод синектики позволяет решить задачи не выше С-уровня.

Американский исследователь У. Гордон ввёл метод синектики, в качестве одного из способов решения изобретательских задач (синектика - совмещение разнородных элементов). Решение задачи осуществляется методом мозгового штурма, который проводится постоянными группами. Цель такого подхода – сбить психологическую инерцию.

6. Законы развития технических систем

Одним из ведущих специалистов в области изобретений Г.С. Альтшуллером были сформулированы законы технических систем, которые помогают изобретателю правильно находить ответы при решении изобретательских задач.

1-й закон – полноты частей системы. . Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 1 заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы.

2-й закон «энергетической проводимости» системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы. Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи энергии, наиболее эффективного в заданных условиях.

3-й закон согласования ритмики частей системы. Различные элементы системы могут работать с разными ритмами. Один из объективных законов развития технических систем состоит в том, что системы с несогласованной ритмикой вытесняются более совершенными системами с согласованной ритмикой.

4-й закон увеличения степени идеальной системы. «Идеальная машина» – это условный эталон, обладающий следующими особенностями; вес, объем и площадь объекта, с которым машина работает (то есть транспортирует, обрабатывает, и т. п.), совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины. Все ее части все время выполняют полезную работу в полную меру своих расчетных возможностей. Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности. У всех технических объектов есть несколько важнейших показателей степени совершенства – габариты, вес, надёжность и т.п. Улучшение одного из показателей может привести к ухудшению другого. Искусство изобретения заключается в умении определить, что надо выиграть, чем поступиться для достижения оптимального результата.

5-й закон неравномерности развития частей системы. Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей. Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как затормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль.

6-й закон перехода в надсистему. Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

7-й закон перехода с макроуровня к микроуровню. Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне. В большинстве современных технических систем рабочими органами являются «железки», например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т. д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Переход с макро- на микроуровень – одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем.

8-й закон увеличения степени вепольности. Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности. Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольнымн, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы. Два вещества и поле могут быть самыми различными, но они необходимы и достаточны для образования минимальной технической системы, получившей название веполь (от слов «вещество» и «поле»).

Вводя понятие о веполе, мы используем три термина: вещество, поле, взаимодействие (воздействие, действие, связь).

Под термином «вещество» понимаются любые объекты независимо от степени их сложности. Лед и ледокол, винт и гайка, трос и груз – все это «вещества».

Взаимодействие – всеобщая форма связи тел или явлений, осуществляющаяся в их взаимном изменении.

Сложнее обстоит дело с определением понятия поля. В физике полем называют форму материи, осуществляющую взаимодействие между частицами вещества. Различают четыре вида полей: электромагнитное, гравитационное, поле сильных и слабых взаимодействий. В технике понятие поля используют шире: это пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина. Подобные поля часто связаны с веществами – носителями векторных или скалярных величин. Например, поле температур (тепловое поле), поле центробежных сил. Мы будем применять термин «поле» очень широко, рассматривая наряду с «законными» физическими полями и всевозможные «технические» поля – тепловое, механическое, акустическое и т. д.

Рассмотрим задачу о разделении щепы древесины и коры.

Кривые стволы и сучья деревьев перерабатывают «в щепу». Получается смесь кусков коры и щепы древесины. Как отделить куски коры от щепы древесины, если они очень мало отличаются по плотности и другим характеристикам?

В ней даны два вещества, и, следовательно, для достройки веполя необходимо ввести поле. Огромное поисковое пространство резко сужается; нужно рассмотреть всего несколько вариантов. В сущности, если отбросить поля сильных и слабых взаимодействий (в данной задаче они явно ведут к слишком сложным решениям), остаются два «законных» поля: электромагнитное и гравитационное. Учитывая ничтожную разницу в удельном весе щепы и коры, следует сразу отбросить и гравитационное поле. Остается одно поле – электромагнитное. Поскольку магнитное поле не действует на кору и древесину, можно сразу ставить решающий эксперимент: как они ведут себя в электрическом поле? Оказывается, в электрическом поле частицы коры заряжаются отрицательно, а частицы древесины – положительно. Это позволяет построить сепаратор, обеспечивающий их надежное разделение.

Ну, а если бы частицы коры и древесины не электризовались? И в этом случае правило о постройке веполя сохраняет силу. Задача состоит в том, чтобы удалить один их вид. Следовательно, мы имеем право считать, что дано одно вещество, которое надо перемещать. Достроим веполь: добавим к этому веществу пару «вещество и поле».

Например, до раздробления ствола и ветвей нанесем на кору ферромагнитные частицы, а затем – после дробления – используем для сепарации магнитное поле. Тут уже не требуются эксперименты: магнитное поле заведомо способно перемещать «омагниченную» кору.

Возможность строить «комплексные» веполи намного расширяет область применения правила о достройке веполя.

Правило достройки веполя непосредственно вытекает из самого определения понятия «веполь»: минимально полная техническая система заведомо эффективнее неполной системы, поэтому данные в задачах невепольные и неполные вепольные системы надо достраивать до полных веполей.

7. Алгоритм решения изобретательских задач

Изобретательство основывается на диалектической логике решения технических задач. Упорядочить процесс решения изобретательской задачи можно, используя понятия об идеальной машине и технических противоречиях. Идеальная машина помогает определить направление поисков, а техническое противоречие указывает на препятствие, которое необходимо устранить. Однако этого не достаточно. Нужна рациональная тактика, позволяющая шаг за шагом продвигаться к решению задачи. Такую тактику даёт программа планомерно направленных действий – алгоритм. Рассмотрим алгоритм решения технических задач, состоящий из трёх стадий.

1-я стадия. Выбор и уточнение условий задачи и концепции.

a. Определяется конечная цель решения задачи. Организовать пропитку в растворе антипирена хвойного шпона.

б. Проверяется обходной путь, то есть, каким другим путём можно получить конечный результат. Прямой путь – сортировка шпона по влажности, пропитка несколькими потоками. Обходной путь – тепловая обработка шпона в воде, пропитка в одном потоке.

в. Определяется, какую задачу решить целесообразнее: прямую или обходную. Проводится эксперимент по применению прямого и обходного пути для выбора наиболее целесообразного.

г. Определяются требуемые количественные показатели. Определяются показатели: поглощение антипирена и время пропитки.

д. Уточняются требования, вызванные конкретными условиями реализации изобретения. Уточняется температура воды для тепловой обработки хвойного шпона при использовании обходного пути.

е. Применяется оператор «размеры – время – стоимость» - устанавливают, как решается задача при изменении этих параметров. Определяется время и экономические затраты на использование прямого и обходного пути.

ж. Излагаются условия задачи с указанием системы из элементов и элементов, препятствующих решению задачи. Решению задачи прямым путём препятствует большой разброс влажности хвойного шпона (от 30 до 130 %). При решении задачи обходным путём это препятствие устраняется. Вторым препятствием является наличие смолы, препятствующей пропитке шпона.

з. Элементы разбиваются в виде таблицы на те, которые можно менять, и те, которые трудно видоизменить. Изменить легче влажность шпона в нужном направлении, удаление смолы требует больших затрат.

и. Выбирается элемент, который в наибольшей степени подвержен изменениям. Наиболее целесообразно путём изменения влажности за счёт тепловой обработки шпона в воде достичь требуемого результата.

2-я стадия. Сбор информации, поиск и оценка решения.

2.1. Составить формулу идеального конечного результата (ИКР) с указанием объекта (элемента из п. 1.9), его действия и условий действия. Выдерживание шпона в горячей воде приводит к снижению влажности высоковлажного шпона и повышению влажности низковлажного шпона. Наиболее идеальный результат – влажность шпона 60…110 %.

2.2. Сделать два рисунка – «было» и «стало» с использованием элементов из 1.7. Составляются схемы пропитки шпона по прямому и обходному пути.

Прямой Обходной

Сортировка Пропитка

2.3. На рисунке «стало» выбрать элемент из 1.7 и выделить ту его часть, которая не может выполнить требуемого действия при требуемых условиях. Отметить эту часть. Влажность исходного шпона.

2.4. Определяются условия, почему элемент 1.7 не может выполнить требуемого действия. Пропитка низковлажного шпон не даёт требуемого результата по величине поглощения антипирена (должно быть не менее 20 %).

2.5. Как надо изменить условия, чтобы элемент 1.7 мог осуществить требуемые действия. Увлажнить низковлажный шпон.

2.6. Что надо сделать, чтобы выделенная часть объекта приобрела свойства, отмеченные в п. 2.5. Провести тепловую обработку шпона в воде.

2.7. Сформулировать способ, который может быть практически осуществлён. Осуществление предварительной тепловой обработки шпона в воде перед пропиткой шпона в едином потоке.

2.8. Дать схему устройства для осуществления этого способа.

2.9. Попытаться изменить устройство и проанализировать к чему это приведёт. Изменить температуру воды и раствора для пропитки шпона, определить как при этом изменяются влажность шпона после тепловой обработки и поглощение антипирена после пропитки.

2.10. Сопоставить выигрыш и проигрыш. Если выигрыш больше, то перейти к следующей стадии. Выбираются оптимальные режимные параметры тепловой обработки и пропитки.

3-я стадия. Развитие идеи в конструкцию.

3.1. Выбрать показатель, улучшаемый по условиям задачи. Достижение требуемого и стабильного результата по поглощению антипирена для низковлажного шпона.

3.2. Определяется, как улучшить этот показатель, какой показатель при этом ухудшится. Проводится эксперемент.

3.3. Определить приёмы устранения технического противоречия. Проверить применимость этих приёмов. Выбирается оптимальный режим.

3.4. Проверить возможность применения физических эффектов.

3.5. Проверить возможность изменения во времени (нельзя ли устранить противоречие «сжав» или «растянув» время действия). Проводится эксперемент.

3.6. Выяснить, как решаются аналогичные задачи в природе.

3.7. Проверить возможные изменения в объектах, работающих совместно с данным, может ли изменённая система применяться по-новому.

8. Правила работы по алгоритму.

Некоторые этапы, рассмотренного алгоритма основаны на логике, некоторые на интуиции, иногда за счёт изобретательного опыта.

На первом этапе расширяется границы поиска решения за счёт «расшатывания» системы исходных представлений.

Алгоритм позволяет получить серию идей, направленных в сторону решения. Это позволяет преодолеть психологические барьеры при дальнейшем анализе задачи.

Вторая часть алгоритма начинается с определения индивидуального конечного результата (ИКР) по двум правилам:

1. Не загадывать заранее, возможно ли достичь идеального результата;

2. Не надо заранее думать о том, как и какими путями будет достигнут идеальный конечный результат.

3. Приёмы устранения технических противоречий.

Содержащиеся в изобретательских задачах технические противоречия часто повторяются. Существуют типичные противоречия и типичные приёмы устранения их. Рассмотрим несколько из них.

1. Принцип дробления. а) Деление объекта на независимые части. б) Увеличить степень дробления (измельчения) объекта. в) выполнить объект разборным. Авторское свидетельство № 168195. Ковш одноковшового экскаватора со сплошной полукруглой режущей кромкой, отличающийся тем, что для обеспечения быстрой и удобной замены сплошной режущей кромки последняя выполнена из отдельных съемных секций.

2. Принцип местного качества. а) Перейти от однородной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной.

б) Разные части объекта должны иметь разные функции.

в) Каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее соответствующих ее работе.

А. с. № 280328. Способ сушки зерна риса, отличающийся тем, что с целью уменьшения образования трещиноватых зерен рис перед сушкой разделяют по крупности на фракции, которые сушат раздельно с дифференцированными режимами. Принцип местного качества отчетливо отражается в историческом развитии многих машин: они постепенно дробились и для каждой части создавались наиболее благоприятные местные условия.

3. Принцип ассиметрии. Переход от симметричной формы объекта к ассиметричной. Узлы автомобиля.

4. Принцип объединения. а) Соединение однородных или предназначенных для смежных операций объектов. б) объединение во времени однородных или смежных операций. Объекту добавляются новые функции. Выполнение пропитки шпона в одном потоке.

5. Принцип универсальности. Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах. Одновременная ГТО и сушка древесины в растворах.

6. Принцип «матрёшки». Один объект размещён внутри другого, который находится внутри третьего.

А. с. № 186781. Ультразвуковой концентратор упругих колебаний, состоящий из скрепленных между собой полуволновых отрезков, отличающийся тем, что с целью уменьшения длины концентратора и увеличения его устойчивости полуволновые отрезки выполнены в виде полых конусов, вставленных один в другой

7. Принцип «наоборот». Вместо действия по условиям задачи осуществляется обратное действие (например, не охлаждать объект, а нагревать). Способ вибрационной очистки металлоизделий в абразивной среде – вибрируется не инструмент, а само изделие.

8. Принцип частичного и избыточного решения. Если трудно получить 100 % требуемого эффекта, то получают «чуть меньше» или «чуть больше». Способ борьбы с градом – с целью сокращения расхода реагента и средств его доставки осуществляют кристаллизацию не всего облака, а крупнокапельной его части.

9. Принцип «посредника». Использование промежуточный объект переносчик. Используют дополнительный материал (воздух, воду и т.п.). Нанесение летучего ингибитора коррозии на защищаемую поверхность - через внутреннюю поверхность детали продувают нагретый воздух, насыщенный парами ингибитора.

10. Принцип «обратить вред в пользу». Использовать вредные факторы, например, усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он стал полезным. При нагреве металлов ТВЧ нагревалась лишь поверхность металла – это отрицательное явление использовался для высокочастотной закалки стальных деталей.

9. Патентный фонд природы.

Пути решения изобретательских задач.

В мире существует свыше 13 миллионов патентов на изобретения. Но человек ещё недостаточно использует фонд живой природы. Технические решения чаще всего не похожи на природные решения. Что в природе достигается тихо и незаметно, в технике связано с колоссальным расходом энергии. Самолёты не могут соперничать с птицами по количеству поднимаемого груза на единицу затрачиваемой мощности. Слуховой аппарат кузнечика улавливает колебания с амплитудой, равной половине диаметра атома водорода. Изучение и перенос в практику принципов природы носит название бионики, науки, решающей инженерные проблемы приёмами, заимствованными у природы.

Новые оригинальные машины создаются на основе новых научных открытий. Но значительно чаще они возникают из старых. Новая модель, опирающаяся на известную технологию, даёт больший экономический эффект. Поэтому опора на достигнутое – наиболее прямой путь к решению изобретательской задачи.

Если нужно получить качественно новый эффект, целесообразнее сразу отказаться от аналога. В этом случае можно прийти к идее высших уровней. Но и внедрение изобретения потребует значительно большего времени.