创新思维与 TRIZ 创新方法

1. 创新思维与TRIZ创新方法 浙江大学城市学院 周 苏 教授 QQ: 81505050 zhousu@qq.com 13805784515

2. 发明原理 发明原理的由来 40个发明原理 物理矛盾与技术矛盾

3. 发明原理 • 通过对海量的高级别发明专利进行分析、研究和总结，阿奇舒勒发现了一个现象：发明家们用来求解发明问题的方法是有限的，就那么几十种。于是，他将这些方法中比较常用的总结为40种，这40种常用的解决发明问题的方法就被称为40个发明原理 (inventive principle，IP) 。当我们在工程实践中遇到问题的时候，最简单的方法就是把这40个发明原理挨个试一遍。

4. 发明原理的由来 • 在对海量发明专利进行分析的过程中，阿奇舒勒最先得到的“解决问题的规律”就是发明原理。 • 从1946年开始，阿奇舒勒阅读了10多万份发明专利文献，从中挑选出了4万份发明级别为二级、三级和四级的发明专利。通过对这4万份发明专利进行深入的统计和分析，他发现：虽然不同的专利解决的是不同领域内的问题，但是它们所使用的方法 (技巧) 却是相同的，即一种方法可以解决来自于不同工程技术领域的类似问题。

5. 发明原理的由来 • 通过归纳和总结，从1946年到1971 年，他从这4万份专利中提取出了40种最常用的解决问题的方法，这就是所谓的40个发明原理。后来，苏联的TRIZ研究者经过进一步的研究，又陆续总结出10个发明原理。1973年，这10个发明原理以补充原理的形式被发布出来，但是，这10个补充的发明原理并没有被放入到矛盾矩阵中。

6. 40个发明原理 • 分割原理 抽取原理局部质量原理 增加不对称原理组合（合并）原理 嵌套原理多功能性（多用性、广泛性）原理重置补偿原理 预先反作用原理预先作用原理 预补偿（事先防范）原理等势原理 反向作用原理曲率增加（曲面化）原理 动态特性原理未达到或过度的作用原理 机械振动原理空间维数变化（一维变多维）原理周期性作用原理 有益（效）作用的连续性原理

7. 40个发明原理 • 减少有害作用的时间（快速通过）原理变害为利原理 反馈原理借助中介物原理 自服务原理复制原理 廉价替代品原理机械系统替代原理 气动与液压结构原理柔性壳体或薄膜原理 多孔材料原理颜色改变（改变颜色、拟态）原理同质性（均质性）原理 抛弃和再生原理物理或化学参数改变原理 相变原理热膨胀原理 强氧化剂（使用强氧化剂、加速氧化）原理惰性环境原理 复合材料原理

8. IP1：分割原理 • 1. 原理描述 • 分割原理是指这样一种过程：以虚拟的方式或真实的方式将一个系统分成多个部分，以便分解 (分开、分隔、抽取) 或合并 (结合、集成、联合) 一种有益的或有害的系统属性。在多数情况下，会对分隔后得到的多个部分进行重组 (或集成) ，以便实现某些新的功能，并 (或) 消除有害作用。随着分割程度的提高，技术系统逐步向微观级别发展。

9. IP1：分割原理 • 2. 指导原则 • (1) 将一个对象分成多个相互独立的部分。例如： • 将轮船的内部空间分成多个彼此独立的船舱。 • 在学生宿舍楼中，将同一层分成多个功能相同的小房间。 • 将一个物理硬盘划分为多个相对独立的逻辑硬盘。 • 将一个大型项目分为多个小项目。 • 内燃机的多个汽缸。 • 将学生分成不同的年级，不同的班级。 • 将水流喷为水雾；将物体变为粉末；将粉末变为气体。

10. IP1：分割原理 • (2) 将对象分成容易组装 (或组合) 和拆卸的部。例如： • 组合家具。 • 暖气上的多个暖气片。 • 将巨型载重汽车分解成卡车及拖车。 • 在计算机程序设计中，将一个功能复杂的函数分为多个功能单一的函数。 • 将一根根铁轨连接起来，形成铁路。 • 建筑上常用的预制件和活动房屋。 • 在公司的组织结构上，可以使用模块化的方法来实现公司的柔性化。

11. IP1：分割原理 • 出版公司为了满足不同教师对教材的不同要求，推出了模块化教材，教师可以根据自己的需要从现有的章节、论文、案例中选取感兴趣的部分来组成自己的教科书。 • (3) 增加对象的分割程度。例如： • 窗帘的演变：一整块布做的窗帘→左右两块布做的窗帘→百叶窗。 • 滚筒式传送带的演变 (见图3.1) 。

12. 图3.1 滚筒式传送带的演变

13. IP2：抽取原理 • 1. 原理描述 • 抽取就是从整体中分离出有用的 (或有害的) 部分 (或属性) 。抽取可以以虚拟方式或实体方式来进行。

14. IP2：抽取原理 • 2. 指导原则 • (1) 从对象中抽取产生负面影响的部分或属性。例如： • 最初的空调是一体机，工作时，压缩机会产生噪声。随着技术的发展，空调被分为室内机和室外机两部分。将压缩机放在室外机中，减少噪声对人的影响。 • 在巡航时，战斗机的两个副油箱挂在飞机下方，飞行中会优先使用副油箱中的燃油；在进入战斗前，抛弃副油箱，以减轻飞机的重量，增加飞机的机动性能。 • 从口腔 (整个系统) 中拔掉 (抽取) 一颗坏的牙齿 (有害部分) ，以改善整个口腔的健康状况。

15. IP2：抽取原理 • (2) 从对象中抽出有用的 (主要的、重要的、必要的) 部分或属性。例如： • 用狗叫声作为报警器的报警声，而不用养一条真正的狗 (将狗叫声从“狗”中抽取出来，作为有用的部分来单独使用) 。 • 将稻草人作为“人”的代表放在稻田中 (将人的外形从整个“人”中抽取出来) 。 • 化学试验中的蒸馏、萃取和置换都是从混合物中抽取出有用物质的过程。

16. IP3：局部质量原理 • 1. 原理描述 • 在一个对象中，特殊的 (特定的) 部分应该具有相应的功能或条件，能够最好地适应其所处的环境，或更好地满足特定的要求。

17. IP3：局部质量原理 • 2. 指导原则 • (1) 将对象、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的。例如： • 在胚胎形成的过程中，一个受精卵经过不断地细胞分裂后变为由多个细胞组成的细胞团，此时每个细胞都是相同的。但是随着细胞分化的开始，不同的细胞会逐渐形成不同的组织和器官，这些不同的组织和器官会实现不同的功能，并最终形成一个完整的动物个体，如图3.2所示。

18. 图3.2 从受精卵到胚胎的演化过程

19. IP3：局部质量原理 • 对金属表面进行渗碳处理，可以增加材料表面的硬度 (而金属内部的特性并没有改变) ，从而提高其耐磨性能。 • (2) 让对象的不同部分具有不同的功能或特性。例如： • 带橡皮的铅笔 (橡皮的功能是擦除痕迹，铅笔的功能是产生痕迹) 。 • 图钉一头尖 (便于刺入物体内) ，一头圆 (便于人手施加压力) 。 • 羊角锤 (一头用来钉钉子，另一头用来起钉子) 。 • 瑞士军刀 (包含多种工具，如螺丝起子、尖刀、剪子等，其功能各不相同) 。

20. IP3：局部质量原理 • (3) 让对象的不同部分处于完成各自功能的最佳状态。例如： • 键盘上的各个健的位置和大小各不相同，使用频率较高的键位于最方便操作的位置，最常使用的键在体积上往往比其他键大 (如空格键和回车键) 。 • 在食盒中设置间隔，在不同的间隔内放置不同的食物，避免相互影响。 • 将一个大房间用隔断分成多个具有不同功能的小房间 (厨房、卫生间、卧室、客厅、储藏室等) 。

21. IP4：增加不对称性原理 • 1. 原理描述 • 增加不对称性原理涉及从“各向同性”向“各向异性”的转换，或是与之相反的过程。各向同性是指，无论在对象的哪个部位，沿哪个方向进行测量，都是对称的。各向异性就是不对称，是指在对象的不同部位或沿不同的方向进行测量，测量结果是不同的。通过将对称的 (均匀的) 的形式 (形状、形态、外形) 或结构变为不规则的(无规律的、不合常规的、不整齐的、不一致的、参差不齐的)，可以增加不对称性。

22. IP4：增加不对称性原理 • 2. 指导原则 • (1) 将对象 (的形状或组织形式) 由对称的变为不对称的。例如： • 计算机的内存条、声卡、显卡、网卡的插槽都是采用不对称结构，这种不对称结构可以保证这些设备的正确插接。 • 坦克装甲的厚度，在不同部位是不同的。这种不对称结构既可以保证重点部位的高抗打击能力，又可以有效地减轻坦克的重量。

23. IP4：增加不对称性原理 • 飞机机翼的上面和下面的弧线是不同的，这种不对称结构能够在气流的作用下产生上升的力。 • 从天平到杆秤的发展 (见图3.4) 。 图3.4 天平和秤

24. IP4：增加不对称性原理 • (2) 如果对象已经是不对称的了，就增加其不对称程度。例如： • 为提高焊接强度，将焊点由原来的椭圆形改为不规则形状。 • 杠杆原理。当支点在中间的时候，两边长度相等，是对称的；当支点两边的长度不相等的时候，会出现杠杆作用二进一步增加这种不对称性，将会使杠杆作用更加明显，可以用很小的力撬起很重的物体。 • 锁及钥匙运用增加不对称性原理，来保证键合结构的唯一性。

25. IP5：组合 (合并) 原理 • 1. 原理描述 • (1) 组合 (或合并) 既可以是空间上的，也可以是时间上的。其目的是将两个或多个相邻的对象(操作或部分)进行组合或合并。 • (2) 在多种功能、特性或部分之间建立联系，以便产生一种新的、想要的或唯一的结果。通过对已有功能的组合，可以生成新的功能。

26. IP5：组合 (合并) 原理 • 2. 指导原则 • (1) 在空间上，将相似的 (相同的、相关的、同类的、接近的、时间上连续的) 的对象加以组合 (合并) 。例如： • 利用网络将多台计算机联结起来。 • 将多种机床的功能“集成”到一起，形成加工中心。 • 最早的机枪是由多个自动步枪组合而成的。 • 将多根不同颜色的油笔集成为一根多色油笔。

27. IP5：组合 (合并) 原理 • 将多个单一插座集成到一起，组成插线板。 • 将电视机、录像机、收音机和录音机的功能集成到一起，形成家庭影院。 • 将多种单一的健身器材组合起来，组成多功能健身器。

28. IP5：组合 (合并) 原理 • (2) 在时间上，将相似的 (相关的、同类的、接近的、相同的、时间上连续的) 的操作或功能加以组合 (合并) (最好是实现并行工作，以提高工作效率) 。例如： • 将多种机床按照特定产品的工艺规划排列起来，形成一条流水线。 • 将多种单一功能的农业机械按照一定的顺序集成到一起，形成联合收割机。

29. 约翰迪尔60系列收割机

30. IP5：组合 (合并) 原理 • 冷热水混合龙头可同时放出冷水和热水，根据需求调节为所需的温度。 • 割草机带了一个袋子，旋转刀刃割下草以后，草就被放入袋子中，形成了先收割后收集的过程。

31. IP5：组合 (合并) 原理 • (3) 将具有不同 (或相反) 功能的对象合并 (或组合) 在一起，实现新的功能。例如： • 将刀子、螺丝刀、剪刀、钳子等工具进行组合，形成瑞士军刀。 • 将榴弹发射器、光学瞄准器和步枪组合到一起。 • 将多种功能集成到一个芯片中。 • 带有橡皮头的铅笔 (将橡皮和铅笔这两个具有相反功能的对象组合在一起) 。 • 羊角锤 (一头能钉钉子，一头能起钉子；将具有相反功能的对象组合在一起) 。

32. IP6：多功能性 (多用性、广泛性) 原理 • 1. 原理描述 • 多功能性或通用性就是将不同的功能或非相邻的操作合并。使一个对象 (例如，对象X ) 具备多项功能 (例如，同时具备功能A、功能B、功能C……) ，从而消除了这些功能 (例如，功能B) 在其他 (相关) 对象 (例如，对象Y具有功能A、对象Z具有功能B) 内存在的必要性 (进而裁减对象Y、Z中承担该功能的子对象) ，结果就是对象X可以实现多个对象 (例如，对象Y、对象Z……) 的功能，使对象具备多用性，可产生在其他情况下不存在的机会及协力优势。

33. IP6：多功能性 (多用性、广泛性) 原理 • 2. 指导原则 • 使一个对象能够执行多种不同的功能，从而使其他只具有单一功能的对象成为多余的，进而可以将其他对象裁减掉。例如： • 瑞士军刀可以提供多种功能。 • 具备多种技能的操作人员 (复合型人才) 。 • 家庭娱乐中心 (具有录音机、CD机、电视机、录像机等功能) 。

34. IP6：多功能性 (多用性、广泛性) 原理 • 可调扳手是一种具有多用性的扳手 (一把扳手可适合多种螺母) 。 • 食品安全法也具有多功能性。它不仅能够督促国内企业提高其产品质量，而且可以用来设置贸易壁垒，将别国的食品拒之门外。

35. IP7：嵌套原理 (套娃原理) • 1. 原理描述 • 通过递归地将一个对象放入另一个对象的内部，或让一个对象通过另一个对象的空腔而实现嵌套。嵌套是指彼此吻合、彼此组合、内部配合的性质。

36. IP7：嵌套原理 (套娃原理) • 2. 指导原则 • (1) 将一个对象嵌入另一个对象，然后将这两个对象再嵌入第三个对象，依此类推。例如： • 俄罗斯套娃。 • 由从大到小的多个碗组成的“套碗”。 • 老式收音机或电视机上的拉杆天线。 • 可伸缩的单筒望远镜。 • 吊车的吊臂。

37. 俄罗斯套娃 • 俄罗斯套娃是俄罗斯特产木制玩具，一般由多个一样图案的空心木娃娃一个套一个组成，最多可达十多个，通常为圆柱形，底部平坦可以直立。最普通的图案是一个穿着俄罗斯民族服装的姑娘，叫“玛特廖什卡”，这也成为这种娃娃的通称 (男娃娃叫杰多乌什卡) 。 • 后来也有用童话中的人物形象做的，近些年来， 戈尔巴乔夫的形象也被做成套娃娃，后来发展到勃列日涅夫、赫鲁晓夫、斯大林甚至列宁也成为套娃娃的形象。 • 俄罗斯套娃已经成为俄罗斯的特产和纪念品的形象，其他北欧国家甚至也有制作出售的，不过这个姑娘的服装还是俄罗斯的民族服装。

38. IP7：嵌套原理 (套娃原理) • (2) 使一个对象穿过或处于另一对象的空腔。例如： • 自动铅笔的空腔中可以放多根备用的铅笔芯。 • 嵌套量规、量具。 • 汽车安全带收缩机构。 • 飞机起落架 (飞机起飞后，起落架被收到飞机的机体内部) 。 • 盒尺。

40. IP11：预补偿 (事先防范) 原理 • 1. 原理描述 • 通过预先准备好的应急措施 (例如，备用系统、矫正措施等) 来补偿对象较低的可靠性。

41. IP11：预补偿 (事先防范) 原理 • 2. 指导原则 • 用预先准备好的应急措施来补偿对象相对较低的可靠性。例如： • 预先涂抹防晒霜，以避免被晒伤。 • 在Fl赛车场，为了防止赛车在快速转弯的时候发生事故，会在赛道的拐弯处放置旧轮胎作为保护。 • 跳伞运动员在跳伞时会带一个备用伞，当主降落伞不能正常打开的时候，使用备用伞。

42. 法国的保罗-里卡赛道是 一条F1车队经常进行试车的 赛道。最近赛道上安装了一 种新型的防撞击屏障，以取 代传统的轮胎护墙，新的防 撞击系统由可以灵活组合的 聚乙烯块构成。这种聚乙烯块的尺寸1.5m*1.2m*0.6m，用皮带捆在一起后，中间再用柔软的泡沫填充以吸收撞击时的能量。 装备了新型防撞屏障的弯道

43. IP11：预补偿 (事先防范) 原理 • 为了防止驾驶员在发生意外事故的时候受到伤害，轿车上配备了安全气囊。 • 建筑物中的防火通道是为了在火灾发生时，供人们紧急疏散用的。 • 建筑物中的应急照明系统是为了在停电的情况下提供紧急照明而设置的。 • 客机上的备用氧气系统是准备在飞机出现紧急状况的时候，为乘客提供备用的氧气。

44. IP11：预补偿 (事先防范) 原理 • 汽车上的备用轮胎。 • 为金属篮球架围上软的防护层，以防比赛过程中运动员撞到篮球架上，造成伤害。

45. IP12：等势原理 • 1. 原理描述 • (1) 通过始终在相同的高度 (级别) 上执行某个过程或操作，来减轻工作的要求。 • (2) 等势原理涉及三个既可以单独使用，也可以合并使用的概念： • l) 在一个系统或过程的所有点或方面建立均匀位势，以便获得某种系统增益； • 2) 在系统内建立某种关联，以维持位势相等； • 3) 建立连续的、完全互相联系的关联和联系。

46. IP12：等势原理 • 2. 指导原则 • 以某种方式改变作业条件 (工作状态) ，而不必升高或降低对象。例如： • 电梯可以将乘客运送到高层建筑上，从而避免了人自己爬楼梯。 • 位于水运航线上的水坝都建有船闸，船在通过水坝的时候，需要在船闸中调整其位势，以便顺利地从一个水平高度调整到另一个水平高度。 • 将位于高处的重物平移到用冰建起的高台上，当冰融化的时候，重物就会从高处缓缓地落下。

48. IP14：曲率增加 (曲面化) 原理 • 1. 原理描述 • (1) 通过将二维或三维空间中的直线变为曲线、直线运动变为圆周运动，来增加曲率。 • (2) 用曲线属性或球面属性代替线性属性。

49. IP14：曲率增加 (曲面化) 原理 • 2. 指导原则 • (1) 用曲线 (或曲面) 代替直线 (或平面) ，用球体代替多面体。例如： • 两表面间引入圆弧结构，以降低应力集中。例如，机械零件中的倒角、圆弧过渡结构。 • 在建筑领域中，常用拱形结构来提高建筑物的强度，例如，拱门、石拱桥、穹顶。 • 为了避免物体上的裂纹扩大，通常在裂纹的顶端引入应力释放孔。

50. IP14：曲率增加 (曲面化) 原理 • (2) 采用滚筒、辊、球、螺旋结构。例如： • 螺旋齿轮可以提供均匀的承载能力。 • 圆珠笔和钢笔的球形笔尖，使书写流畅，下墨均匀。 • 在家具底部安装球形方向轮，便于移动。 • 螺旋形的楼梯可以大幅提高空间的利用率。