TRIZ创新理论在工业设计中的应用*

杨生红，严 军，郭 强

(青海大学 机械工程学院，青海 西宁 810016)

当今时代作为一个知识经济高速发展的时代，创新已经成为促进经济和社会发展的内在力量，创新能力也已成为衡量一个国家和企业综合实力的重要指标。提高创新能力、拓展创新思维和运用创新方法不仅能够为企业提供技术驱动力，也对人类文化的传承和技术方式的变革起到重要的作用[1]。工业设计作为一门体现人类技术和文化结晶的重要学科，其创新性便是学科的灵魂所在，无论是新、旧石器时代的砍斫器，还是农耕生产时代的生产工具，亦或是二战后期美国的流线型设计，自始至终都以产品的创新性为关键特征。TRIZ理论以创新为出发点，总结了一系列丰富的创新理论和严谨的创新方法，为工业设计学科提供了一定的设计思路。

1 TRIZ理论体系结构

1.1 TRIZ理论概述

TRIZ即“发明问题解决理论”(The Theory of Inventive Problem Solving)，是一门科学的创造方法学[2]，是基于技术系统演变的内在规律来对问题进行逻辑分析并引导人们去创新的工具， 是以苏联发明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)为首的一批学者从1946年开始，历经50多年对世界上250多万件发明专利加以研究、归纳和提炼，建立的一整套系统化、实用性的解决发明问题的理论、方法和体系。TRIZ理论提供了一系列工具，如系统进化法则、40个发明原理和矛盾矩阵、76个发明问题的标准解和ARIZ算法、物—场模型分析算法等。

1.2 TRIZ理论的创新思维方法

思维是人们基于客观事物和主观经验时对事物的认知过程，决定着一个人的行为方式，创新思维包括创造思维、逻辑思维和批判思维，是指在创造具有独创性成果的过程中对事物的认知活动，是人们运用现有经验开拓新领域的思维能力，是通过学习可以培养发展的能力，创新思维的培养可以为实际问题的解决提供新颖独特的方法，提供事物变化的多种可能性。

TRIZ理论包含了许多系统、科学而又富有可操作性的创造性思维方法，如多屏幕法、STC算子法、小人法、金鱼法和最终理想解法等。多屏幕法指在分析和解决问题时，不仅要考虑当前系统，还要考虑它的过去和未来，不仅要考虑当前系统，还要考虑它的子系统和超系统，以及当前系统的过去和未来的子系统、超系统，从时间和系统层级2个角度对问题进行分析；STC算子法基于尺寸、时间和成本的单一因素进行分析，目的在于让我们的思维进行有规律的、多维度的发散，有助于我们打破思维习惯的束缚，将很多看似很难、无从下手的问题变得简单[3]；小人法是将物体中不能完成的非兼容的要求部分用许多能动的小人进行假设并表示，根据情况将小人分组，分析原始情况并重建物体模型，使模型符合所需的理想功能，并且使原始的矛盾被消除；金鱼法又称情境幻想分析法，将情境分为现实和幻想2部分，分析不现实部分的原因，并引入其他资源将不现实想法变为现实，并不断分析直到全部变为现实；最终理想解法是指在解决问题之初，先抛开思维惯性的限制，通过理想化来定义问题的最终理想解，明确理想解所在的方向和位置，保证在解决问题过程中沿着此目标前进并获得最终理想解。这种逆向思维的方法有助于我们在解决技术系统矛盾时提升创新设计的效率。

1.3 TRIZ理论的系统进化法则

阿奇舒勒先生在分析大量专利的过程中发现，任何领域的产品及其技术的发展都遵循一定的客观规律，而且同一条规律往往反复应用于不同的产品。系统技术进化法则的S曲线揭示一个技术系统的进化过程都要经历4个阶段，分别是婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，且不同的阶段都显现出不同的特征，直到技术系统进化到一定程度后，才会出现一个新的技术系统来替代。系统进化法则以系统的角度为新产品的开发提供了方向。

1.4 TRIZ理论的矛盾及冲突原理

TRIZ理论将产品或系统的进化过程描述为不断解决产品所存在的矛盾的过程，未克服矛盾的设计毫无创新性可言。最典型的2种矛盾是技术矛盾和物理矛盾，技术矛盾表现为系统中2个参数之间的矛盾，TRIZ理论提出用39个通用工程参数描述系统改善和恶化的方面，通过查找矛盾矩阵可对系统技术矛盾的解决提供有效的方案，其关系如图1所示。

图1 技术矛盾与物理矛盾的关系

物理矛盾指为了实现某种功能，系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与此特性相反的特性，物理矛盾的解决以分离原理为出发点，通过空间分离、时间分离、条件分离、整体和局部的分离4个方面进行求解，每个分离原理都可与40个发明原理中的若干原理相对应。

1.5 物—场分析方法及标准解

物—场模型分析法是TRIZ理论中针对一个重要问题的构造、描述和分析工具，其采用专门的图形化的语言来表示问题原因。技术系统的建立是为了执行特定的功能，所有的功能又可以分解为2种物质和1种场，即三要素(工件、工具和场)，技术系统的功能模型就可以用一个完整的物—场模型来表示，为问题的进一步解决创造条件。

物—场模型的建立有助于使问题聚焦于关键子系统上并确定问题所在的“模型组”，常见的模型类型有4种：有效完整模型、不完整模型、效应不足的完整模型和有害效应的完整模型。针对不同类型，阿奇舒勒又归纳出不同的解决方案，76个标准解是在物—场模型的基础上提出的对技术系统的有害、过渡和不足等情况的解题方法。标准解法针对标准问题提出，是适用于解决标准问题并能够快速获得解决方案的一种工具。

1.6 发明问题解决算法

发明问题解决算法(ARIZ)主要是针对复杂问题、矛盾及其相关部件不明确的技术系统而提出的一套完整的分析和解决问题的方法，是对初始问题进行一系列变形及在定义等非计算的逻辑过程实现对问题的逐步深入分析和转化，最终解决问题，重点针对较高级别的发明问题，力求解决问题的物理矛盾。ARIZ解决问题的流程主要有9大部分，分别是：现有问题分析、问题模型分析、描述问题的最终理想解(IFR)和物理矛盾、调动和使用物质—场资源、运用TRIZ知识库、改变或替换原有问题、分析已得到的方案、应用已得到的方案以及分析解决问题的整体流程。

2 基于TRIZ理论实现产品优化

脚踏开关作为信号输入的一部分，在诸多医疗设备，如X光机、计算机断层扫描装置(CT)中起着重要作用。脚踏开关与医疗设备相连接，在相关按键被触发时，相应的控制信号通过脚踏开关及其连线传递给控制设备。目前，对脚踏开关的触发方式是通过在脚踏开关的踏板上施加一定的力进行触发，且只有当施加的力达到一定程度时才会被触发。如果仅是轻微接触脚踏开关的踏板，或施加在踏板上的力未达到触发力度，则仍处于未触发状态，这种方法可以起到避免误触发的目的；但仍然不能完全避免误触发，如病人或者是医护人员走动时不小心踩在脚踏开关上导致误触发。另外，由于医院中存在各种污染物，如水和酒精，甚至是病人的体液和血浆，而且灰尘也容易进入脚踏开关的踏板与隔离板之间、踏板与底座的缝隙之间，这些污染物及灰尘会影响电路板的连接，减少使用寿命，严重时可能导致脚踏开关的损坏。TRIZ创新方法的引进，可以为此类问题提供明确的设计思路。

1)建立物—场模型图。将脚踏开关系统看作“工具”，作用于“医疗设备”，可获得如图2所示的功能模型；将开关看作“工具”，作用于“信号”，可获得如图3所示的功能模型；将脚看作“工具”，作用于“开关”，将执行的机械力看作“场”，可获得如图4所示的功能模型。

图2 医疗设备脚踏开关功能模型

图3 脚踏开关传输信号功能模型(将开关看作“工具”)

图4 脚踏开关传输信号功能模型(将脚看作“工具”)

2)问题求解。根据TRIZ理论物理矛盾的定义，为了实现设备信号控制，希望脚踏开关力度适中，能正确传递信号，却又出现误操作，形成关于力的物理矛盾。通过空间分离方法，将脚踏开关放置于由底板、顶板以及前板围合形成的脚踏开关存储空间内达到对脚踏开关的保护目的，使得脚踏开关在未使用时，能够最大限度地避免被误触发而损坏昂贵的医疗设备[4](见图5)，并且尽量防止污染物对脚踏开关造成损伤，延长产品使用寿命。优化后的产品在生产中实现了一次性塑料注射成型，不仅结构简单、效果实用，而且保障了脚踏开关及医疗设备的使用安全(见图6)。

图5 脚踏开关保护装置平面图

图6 脚踏开关保护装置三维图

3 TRIZ理论在新产品开发中的启示

针对目前在智能手表开发过程中，在实现智能化时出现的突出问题，通过TRIZ理论的方法进行研究并给出一定建议。

3.1 问题描述与分析

目前，在智能手表系统中存在3个方面的矛盾，主要为物理矛盾，涉及到的3个方面矛盾见表1。

表1 智能手表系统矛盾列表

建立产品根原因分析图(见图7)。

图7 根原因分析图

3.2 冲突区域确定

上述冲突主要表现为屏幕既要大又要小，电量容量既要大，电池体积又要小，集中表现为大与小的冲突，属于物理冲突。采用分离原理，将矛盾双方分离，分别构成不同的技术系统，以系统与系统之间的联系代替内部联系，将内部矛盾外部化。

利用分离原理，案例中的屏幕这一冲突属于分离原理中的空间分离和条件分离，将屏幕的大与小这对矛盾在不同的使用条件下进行分离，套用40条发明原理中的分割、组合、多功能性、借助中介物、柔性外壳或薄膜原理进行解决；电池体积大与小的矛盾属于分离原理中的时间分离和条件分离，查找发明原理，可采用有效作用的持续性、自服务和一次性用品替代等原理提出有效的解决方案。

3.3 拟采取的解决方案

1)根据智能手表设计趋向最小化的要求，在固定整体体积的情况下，将显示屏与主体分离，使其可拆卸和重叠，需要时组合成最大化屏幕，其余时间以小屏幕为主，屏幕键盘可设计为触摸式，有效解决手机设计要求大和小2个方面的物理矛盾。

2)因以手表为载体，体积太大易造成携带不方便，可在屏幕顶部设计投影灯，将画面投影到书本、桌面和墙面等其他媒介，提高可读性。这样就实现了屏幕增大的根本性突破，而手机体积可以保持不变。

3)采用虚拟技术实现更先进的屏幕显示技术的创新，在手表上方设计1个三维显像灯，将手表中的三维图像显示在手表上方一定范围的空间中，甚至可以实现在通话过程中的三维显示，与对方通话时可以将对方的三维全息影像显示的面前。

4)提高电池设计的高效性，抛弃锂聚合物电池，达到只用卡片式小体积，却可使用更长的时间。或通过新能源完成充电，增加续航能力。

3.4 方案确定

鉴于智能手表中手机通信等功能的重要性，将手表与手机功能很好地结合，形式上以手机一边为参考位置折叠成三折，形成表链，可通过在手机后背上覆贴一些可活动贴片来满足表链长度的可调节性(见图8)。

图8 方案效果图

4 结语

TRIZ创新理论对创新方法进行了系统的整理和提炼，为企业解决工程问题提高了效率，在产品创新设计和产品改良设计中可以选择合适的创新技术，从而对设计思路进行了拓展，打破了思维定势，提高了创新能力，引领并创造利于人类生活的先进的、合理的生活方式[5]。

[1] 张磊.TRIZ理论对工业设计的影响[J].艺术与设计，2007(9):147-149.

[2] 孙晓欧.TRIZ理论基础教程[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2013.

[3] 黄永玉.TRIZ理论的创新设计方法研究[J].河南科技，2003(11):122-124.

[4] 杨生红．一种医疗设备脚踏开关的保护装置：中国，201420020298.8[P]. 2014-08-20．

[5] 张林，黄亚宇.基于TRIZ理论的爬楼轮椅行走机构创新分析与设计[J].新技术新工艺，2014(10)：62-64.

*科技部创新方法工作专项项目(2012IM020800)