Методика изобретательского творчества.

КУДА ИДЕМ МЫ С ПЯТАЧКОМ?

                       
                       - Брат, смотри, какой я галстук оторвал за 300
                       баксов!
                       - Э-э-э, брат... Да ты лоханулся. Я вчера такой же за
                       500 взял.

      Мы смеемся над этим анекдотом, а между тем как часто сами оказываемся в аналогичной ситуации. Более того, нас убеждают, что именно так и следует делать: покупать дороже, сложнее. "Это ведь престижно!" И сдирают бешеные деньги за товар известной всему миру фирмы. "Это настоящая лицензия!". И к цене копеечного товара приписывают нули. Слава Богу, что это не всегда срабатывает, иначе мы бы давно сидели в глубокой "потенциальной яме" (некоторые выражаются круче). Этот процесс тормозится по тривиальной причине - наши кошельки не бездонные, и чтобы выжить, приходится иногда выгадывать копейки на любом товаре. Никто не заставит нас покупать компакты по цене средней заработной платы, если есть обходной путь. А такой путь найдется всегда. Но, если рынок не может нам предложит ничего нового, а в кошельке вместо жалких пятачков шелестят бумажки с зелеными лицами ненаших президентов, то появляется соблазн сделать широкий жест и купить не глядя какую-нибудь ерунду, чтобы уже через месяц отправить ее на свалку.
      Куда идет технический прогресс? И куда идем мы вслед за ним? Всегда ли то, что происходит в экономике, можно назвать прогрессом? Разве не удивительно, когда более производительный станок приводит к увеличению себестоимости продукции? А почему "винилки" стоили дешевле лицензионных компактов? Они что, были нелицензионные? Конечно, законы рынка вынуждают производителей снижать цены, но добровольно редко кто это делает. Генри Форд, вроде бы, планомерно снижал издержки производства и цены на свои автомобили. Возможно, что благодаря ему Америка стала супердержавой. И, возможно, из-за его смерти в 1947 году Америку через 10 лет потряс один из глубочайших кризисов. Автомобиль после Форда опять стал дорогой и престижной вещью. Америка грудью стоит на защите авторских прав (почему-то они в основном принадлежат фирмам-монополистам, а не авторам), и потому всякое обновление продукта выливается в сказочные цены, которые не всем по карману. Вроде бы новые знания должны давать изобилии, но получаем диспропорцию, которая отрыгивается терроризмом и войнами.
      В свое время Европа культивировала образованность и распространяла знания. Ученые свободно обменивались своими достижениями в исследовании Природы, и это дало экономический эффект. Цивилизации древности, в частности - Египет, хранили знания в глубокой тайне. И где теперь эти цивилизации?.. Так что - не перегнуть бы палку с теми же авторскими правами.
      Наши рынки сейчас демонстрируют странную диспропорцию: изобилие дорогих изделий и почти полное отсутствие дешевых. Я слышал неоднократно утверждения "наелись мы уже дешевого совка". Но на дорогие игрушки денег не хватает, а дешевого почти не встретишь, разве что "китайскую подделку" или "дерибас".

      Я, тем не менее, хотел бы поговорить о дешевой альтернативе. Причем, с несколько необычной точки зрения.
      Люди уже многие тысячи лет пользуются различными технологиями для собственных нужд. И, поскольку эти нужды постоянно растут, как аппетит во время еды, приходится постоянно придумывать новые и новые технологии. Их количество и особенности использования так многочислены, что уже пора подумать о создании баз данных, вернее - баз знаний. Такие попытки делаются давно, но хороших и дешевых систем пока нет и неизвестно, появятся ли они вообще. Это называется "правильная маркетинговая политика".
      Создание новых технологий, зачастую, очень дорогое удовольствие. Тем не менее, многие фирмы идут на расходы просто потому, что найти соответствующие сведения в море информации обходится еще дороже. Несистематизирована она еще. Да, к сожалению, это так, сложно описать формальным языком многообразие окружающего мира, и естественного, и искусственного. Хотя можно и попробовать. Я предлагаю вам "метод абстрактных свойств". На первый взгляд, в нем нет ничего нового, но результаты дает конкретные.

КЛАССОВЫЙ ПОДХОД: ТРИ ИСТОЧНИКА, ТРИ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ...

ЧАСТЬ 1: АНАЛИЗ.

      Про классовый подход знают почти все, а уж специалисты в программировании - и подавно. Классы в экспертных системах несколько отличаются от таковых в программировании. При создании программы класс как бы намертво "вшивается" в тело кода. В интеллектуальных системах это недопустимо. Класс должен быть гибок и мобилен.
      К примеру, вы собираете описания животных. Две ноги, крылья, перья, откладывает яйца. Вы можете создать класс с общими свойствами и со 100% уверенности утверждать, что любое из этих свойств характеризует принадлежность животного к данному классу, называемому "птицы". Но вот появляется описание человека (две ноги) или крокодила (откладывает яйца) и классификацию необходимо менять. Мы формируем еще два класса - "двуногие" и "яйцекладущие". Они пересекаются с классом "птицы" и с новыми классами типа "человек" и "рептилии". Кажется, что все становится более запутанным? Нет, все только начинает проясняться.
      Когда в начальной школе ввели теорию множеств, некоторым (и мне, в том числе) это показалось излишним. Сейчас мне даже кажется, что ее изучают недостаточно. Ведь теория множеств - первый шаг к интеллекту, искусственному и естественному. Деление явлений и объектов окружающего мира по множествам - это первый шаг к их классификации. А классификация лежит в основе всей современной науки.
      Но группирование объектов по множествам - это неотъемлемая часть не только интеллекта, в нашем понимании. Что лежит в основе условных рефлексов, которые изучал Павлов, и о которых нам известно только то, что это примитивнейший вид нервной деятельности? А в основе лежит мощнейший аналитический аппарат, который обрабатывает миллионы разнородных сигналов от миллионов рецепторов и после их неоднократного совпадения принимает решение, что эти сигналы принадлежат к одному классу явлений и существуют только вместе. Многие ли разработчики АСУ могут похвастать такими свойствами своих творений?
      Этот же аппарат может вызывать психические патологии ("инграммы" Рона Хаббарда), он же участвует в обучении ребенка, который, наконец, начинает понимать, что такое "красная кружка", "красный кубик" и даже, что такое "красный" вообще. Все то же сравнение данных от зрительных, слуховых, осязательных центров. Мозг не хочет хранить лишней информации, в этом случае он вообще не был бы мозгом. Он находит общие свойства и "упаковывает" данные в единый класс. Упаковывает в разных комбинациях, в разных множествах, на разных уровнях иерархии. Мы начинаем понимать, что такое "красный", "зеленый", "белый", начинаем понимать слова "цвет", потом "свойства" и так далее. Таким образом мы втискиваем в ограниченный объем мозга громадные количества данных. Подобный же анализ, как ни странно, лежит в основе суеверий. Мозг замечает даже единичные совпадения событий, которые могут быть случайными. Какие классы интересны для изобретателя? Скорее всего - сформированные по функциональному назначению. Классификатор изобретений, несмотря на некоторую хаотичность своего развития, в основном соответствует этому.

ЧАСТЬ 2. СИНТЕЗ.

      Даже сформировав высшие уровни абстракции, мы не теряем представления об их носителях. Да, мы не смогли бы представить абстрактную кружку или куб, но мы представляем любой объект из данного класса, какой пожелаем. Мы можем представить кружку железную, алюминиевую, эмалированную, "бэлый вэрх, черный ныз", в горошек. Мы могли не видеть таких кружек наяву, но мозг играясь синтезирует их образ из свойств данного класса. Это очень ценное качество, которое позволяет творить сначала в уме, а потом "в металле" объекты, не известные ранее. Используя классы объектов, мы так же играясь можем плодить изобретения, и не мучительно, одно в год, а десятки в день. А соответствующие программы могли бы генерировать их миллионы, в соответствии с заданными условиями. Вот пример такой обработки: молоко скисает от молочнокислых бактерий, а также - от любой кислоты. Среди кислот числятся кислые соли, меняющие pH при изменении температуры, кислоты летучие, активированная вода-анолит. То есть мы можем выбирать любое техническое решение, которое удовлетворяет нашим условиям. Не думаю, что этот подход вытесняет ТРИЗ (теорию решения изобретательских задач), однако, он может быть компьютеризирован, и дает, в отличие от ТРИЗ, не одно-два решения, а целые пакеты - выбирай, какое тебе нравится.

ЧАСТЬ 3. СЕТЕВОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ (вариации ФСА).

      Итак, "классовый" подход дает нам возможность выйти на целый ряд решений задачи, и даже обрисовать область, в которой мы найдем решения еще не придуманных задач. В нашем распоряжении оказываются в лучшем случае единицы, в более тяжелом - миллионы вариантов решения задачи. И мы должны выбрать подходящее решение из этой кучи, больше всего похожей на мусорную. Естественно, что мы должны сформировать критерий выбора. Это может быть такой показатель как вес, цена (основной критерий для функционально-стоимостного анализа - ФСА), размеры, количество деталей и т.д. Дело в том, что цена в большинстве случаев не является удобным критерием - трудно считать. Зато известно, что для самолета или космического корабля каждый грамм или лишний миллилитр объема оборудования оборачиваются потраченными рублями или долларами. Для обычной техники желательно уменьшение числа деталей - изделие обязательно выиграет в цене. И так далее.
      До сих пор изобретателям приходилось анализировать простые решения, но какие возможности скрыты в сложных комбинациях различных явлений и объектов. При создании устройства отдельные его части стыкуются между собой поверхностями, входными и выходными сигналами, различными эффектами, веществами (химические технологии), траекториями движения. Набор объектов, обеспечивающий нужную потребительскую функцию, похож на сетевой граф. А количество различных вариантов огромно. Этим объясняется факт, что до сих пор появляются революционные изобретения в такой "старой" отрасли техники как механика (например - зубчато-винтовая передача, где колеса вертятся в одну сторону, или способ нарезки зубчатых колес, в том числе конических, на обычном токарном станке). Такую работу следовало бы взвалить на компьютеры - пусть себе ковыряются... Но "полазить" по синтезированным вариантам решений "ножками, ручками и глазками" тоже очень полезно. Можно и новый класс создать, и новые зависимости обнаружить. Кроме того, абстрагирование свойств, пока что, является привелегией человеческого разума.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

      Что показывает анализ классов родственных изобретений. В большинстве случаев оказывается, что изобретатели останавливаются на первом же удачном решении и без крайней нужды дальше не идут. Из широких областей распахивается только жалкий клочек. Если же найдено удачное решение для всей области свойств, то, как правило, оно и применяется, даже не смотря на высокую стоимость, другие варианты с трудом пробивают себе дорогу.
      Вот пример. Для нагрева электрическим током применяется не так уж и много способов. В основном это - пропускание тока через нихромовую спираль. Дорого и даже не надежно. Разве редки случаи, когда нагреватель "пробивало" на воду в баке? Самодельщики часто используют в качестве сопротивления саму воду, а вот промышленность обходит такие методы стороной. Зря, конечно... Электрический "котел" с 3-фазным нагревом вмещается в 10-сантиметровый кусок трубы. Естественно, что корпус должен быть заземлен. Служит такой "котел" не один год, а ТЭНа обычного едва хватает на отопительный сезон. Водонагреватель проточный для кухни тоже занимает 10 см водопроводной трубы, если греть саму воду, а не кучу металла, защищающую спираль. Есть варианты со спиралью, непосредственно соприкасающейся с водой, но они горят так же легко, как и ТЭНы и тоже более громоздки. Описанные нагреватели имеют узкую область применения, но в этой области они вне конкуренции. Даже для купания такой нагрев применять уже опасно, хотя правильное заземление и расположение электродов решают и эту проблему. Встречаются самодельные радиаторы на том же принципе (видел такой на стройке в вагончике для рабочих). Такой нагреватель может потеснить масляные радиаторы. Я слышал про умельца, который сделал водяной матрац-радиатор. И хорошо греет.
Отлично работают нагреватели для аквариума из U-образной лампы дневного света (цоколи отрезать, трубку вымыть, наполнить водой и вставить электроды, от их длины зависит мощность). В этих устройствах слабое место - электроды. Растворяются графит, медь, латунь, сталь (но несколько месяцев может протянуть), очень хорошо работает никель и железо-никелевые сплавы (кто не знает про кипятильник "два лезвия"?). Чем еще примечательно данное решение? Возможностью плавного регулирования мощности и легкостью отключения при закипании или отсутствии воды - это тонущие или всплывающие экраны, поворотные шторки, воздушные камеры. Чертовски дешево и просто. Вы закручиваете кран, колпачек-экран падает, закрывая электрод, и - нагреватель выключен.
      Таким образом, мы видим, что замена материала не только меняет стоимость устройства, но и дает совершенно другое сочетание свойств. Если та же вода никогда не может быть нагрета выше 100°C (под давлением - намного выше), то почему бы нам не использовать для корпуса пластики, даже термопласты? Точно так же - если поверхность радиатора не греется выше 60°C, то он может быть отлит из термопласта, а в него - запрессована нить с низким удельным сопротивлением, но большой длины, а лучше - лента, фольга. Не нужен нихром, есть множество сплавов с высокой коррозионной стойкостью и более дешевых. Для ряда случаев годится и железная проволока. Я не касаюсь множества вариантов, где в качестве нагревателя используются смеси с графитом, карборундом (карбид кремния применяется в электрокаминах, утюгах).

      Наверняка, экспертная система нашла бы соответствие между двумя свойствами нагревателей, которое не всегда замечается конструкторами. Вы, возможно, и сами это заметили - удельное сопротивление и температура поверхности нагревательного устройства. Если материал высокоомный, то и мощность на единицу площади получается огромной, и температура - сотни градусов. Если спираль открытая - горит пыль, шерстинки, воздух приобретает неприятный запах. Именно поэтому был придуман масляный радиатор, - чтобы распределить тепловую энергию по большой площади. А решение очевидно - сопротивление удельное надо снизить! Фольговый нагреватель размером с радиатор весит меньше, да и проще в изготовлении. Греющие обои и полы действуют на том же принципе. Правда, дорого. Но решение - тоже на поверхности. Если вы знаете закон Ома, то легко сделаете нагреватель для полов по цене раз в 10-20 меньшей, чем продаются в магазине.
      Вы уже обратили внимание, что каждый раз при решении какой-либо задачи находится уже существующее решение? Это именно так. Человечество накопило достаточный опыт, и решение задачи в одной области может породить лавину решений в других областях. Конечно, эти решения должны быть обдуманы и адаптированы к конкретной области, но эффект порой бывает неожиданный.
      Можно найти много общего в физических эффектах. Возможно, что эти совпадения случайны, но проверить не мешает.

      Газ, идеальный или реальный, ведет себя определенным образом. Так, при сжимании он нагревается, при расширении охлаждается. Охлаждается газ и тогда, когда ему приходится подниматься ввысь, то есть совершать работу против силового поля. Одно это сравнение способно породить не очень большую, но лавину изобретений. Но пойдем дальше...
      Абстрагирование понятия газ и понятия силового поля приводит к обобщенному представлению, что любая работа против потенциального поля приведет к охлаждению газа. Под газом следует понимать не только газ молекулярный, но и электронный, плазму, нейтроны и т.д. Таким образом, под понятием теплового двигателя собираются абсолютно все преобразователи тепла в механическую и электрическую энергию. Вот оно, новое качество - заменив обычный газ на электронный, мы получаем преобразователи тепла непосредственно в электричество. Вы полагаете, что мы не получили ничего нового? Рассмотрим следующую аналогию.
      Имеем проводник (трубопровод) с "газом". Сжатие газа приводит к его нагреву. И это подтверждается множеством фактов: и газ на выходе из компрессора, и электроны под действием потенциального поля, имеют повышенную температуру. Затем идет участок утечки тепла, где температура может опять упасть до исходной. Потом следует участок расширения, на котором температура падает. Эта аналогия позволяет по-другому рассмотреть эффект Нернста-Эттингхаузена. Его суть в следующем: при протекании тока через образец (металл или полупроводник), помещенный в магнитное поле, в перпендикулярном току направлении наблюдается разность температур. Этот эффект, не вдаваясь в подробности, приписывают тепловому движению электронов. С нашей точки зрения, происходит "сжатие" электронного газа магнитным полем. Более того, разница температур вдоль тока, возникшая из-за остывания "сжатого" газа и нагрева "разреженного" газа, приводит к возникновению э.д.с., направленной против тока (магниторезистивный эффект). В металлах эти эффекты имеют микроскопические величины, в полупроводниках - в сотни тысяч раз большие. Возможно, что основную роль играет скорость электронного газа. Для металла эта величина составляет 5-10 мм/с, а для полупроводников - свыше сотни километров в секунду. Замените неподвижный магнит вращающимся и величина эффекта в металле возрастет в тысячи раз. Можно даже подумать о практическом применении такой тепловой машины.
      Рассмотрим сочетание "электронный газ в гравитационном поле". Тот же эффект можно получить, используя инерцию электронов. Появление электрического тока в катушке, которую раскручивают, а затем тормозят, исследовали Стюарт и Толмен. Заметить разность температур в этом случае было практически невозможно, но создать "потенциальное поле" можно, раскрутив металлический диск. Во-первых, мы должны получить разность потенциалов вдоль радиуса А во-вторых, получим разность температур. Заодно можно измерить упругость элетронного газа. Еще можно ожидать появление магнитного поля - электроны находятся на периферии и их движение - это электрический ток.
      Кстати, просто "газ" обладает способностью переносить тепловую энергию. Электронный газ - не исключение. В опытах Томсона одну часть электрического проводника грели, а другую - охлаждали. Электрический ток переносил тепло вдоль проводника в направлении движения электронов. При этом ток удобнее, чем настоящий газ или жидкость,- его просто заставить двигаться, не нужны помпы и вентиляторы, при размыкании контактирующих поверхностей ничего не льется.
      Если "электронный газ" это газ, то есть ли жидкость? Вы спросите - а зачем нам электронная жидкость?
      Для эффективной передачи тепла используются тепловые трубы. Это полный аналог парового отопления. В месте нагрева жидкость испаряется, отбирая огромное количество тепла, а в месте конденсации - выделяет его. Если мы предположим, что сверхпроводники являются вместилищем "электронной жидкости", то переход ее в "газ" должен сопровождаться охлаждением и наоборот. То есть, цепь из проводника и сверхпроводника - это уже тепловой насос. Эта аналогия основана на том, что переход в сверхпроводящее состояние сопровождается выбросом тепла и наоборот - потеря сверхпроводимости, подобно закипанию жидкости, отбирает тепло (фазовый переход 1-го рода).

      Анализ базы данных с описаниями уже проверенных фактов и работающих промышленных изделий позволит заметить какие-либо явления, не прибегая к помощи эксперимента. Сами эксперименты могут стать более целенаправленными. Их целью будет скорее уточнение каких-либо свойств, а не проверка возможности их существования.
      Очень важным является накопление данных о функциональных свойствах разных технических решений.
      Так профессор Нурбей Гулиа в своей книге "В поисках энергетической капсулы" описывает свой путь к маховичным накопителям. Анализируя разные виды аккумуляторов энергии, он сравнивает величину их удельной емкости. Одного взгляда на эти данные достаточно, чтобы отбросить негодные варианты и сосредоточиться на более перспективных. Но не все однозначно. Для демонстрации проблемы выбора сравним способы передачи энергии на расстояние:

  объекты
    вал сплошной                        100   200   ~ 1
    вал пустотелый                      100   500   ~ 1
    гидравлическая передача               ?    10     0,5
    пневматическая передача             ~40    10  >  1
    ремень композитный + стальной шкив   9x  1000  > 20
    ремень стальной + обрезиненый шкив   9x  1000  > 20
    электроэнергия (20 В)                9x     -     0,1
                   (4000 В)                          20
  свойства
    КПД __________________________________|
    напряжение удельное МПа ____________________|
    мощность удельная кВт/мм2 ________________________|

      Эту таблицу необходимо уточнить, но можно получить уже некоторые парадоксальные результаты - для транспорта лучше не применять гидравлику и пневматику!
      Вы скажете, как же так?! А тормоза? Но тормоза не передают МОЩНОСТЬ, их главное достоинство - развиваемое усилие, простота устройства и его общие габариты и вес. Для того, чтобы передать на колеса грузовика мощность 100 кВт, необходим толстенный трубопровод. Если мы заменим гидравлику на электропривод, то сможем сэкономить на проводке, подняв напряжение до тысяч вольт (на тепловозах усилие от двигателя к колесам передается электрической трансмиссией). Валы решают эту задачу проще, особенно для переднеприводных машин. В ряде случае наилучшим решением могла бы быть ременная передача, шкивы все-таки проще и дешевле электрической машины. Но их недостатки - сложность управления мощностью и неудобство укладки. У электропроводки есть и преимущества, и резерв возможностей.

      Сводная таблица абстрактного свойства играет важную роль в поисках решений. Их следует создавать для разных абстрактных свойств. Проектант, выбирая нужный вариант конструкции, мог бы пользоваться этими данными.
      Внести эти сведения в бумажный справочник можно, но гораздо удобнее работать с ними в электронном виде. Думаю, что такая база данных будет иметь не меньшее значение, чем сборник физических эффектов, созданный энтузиастами еще в 80-е годы 20-го века. Создание изобретений станет более целенаправленным и не будет похоже на тыкание слепых котят в окружающие предметы.