基于TRIZ理论的一种减力缓冲替换式牙刷

闫一梵　余浩　陈进松　张世杰　陈朴　何星雨　陈红

摘要：刷牙是人们日常生活中保持口腔卫生最主要的手段，因口腔健康卫生认知不足，人们常误认为加重刷牙时的用力可以提高清洁牙齿的效果。殊不知刷牙时用力越大，对牙齿硬组织的损伤也会越严重。目前市场上的大多数牙刷不具备调节刷牙力度和自我清洁的能力。鉴于此，我们利用TRIZ理论提出了减力缓冲替换式牙刷。将刷头和刷柄分开，在两者之间增加减力缓冲装置，减少了对口腔软硬组织的损伤，也减少了更换牙刷时的材料浪费。同时在刷毛中添加抗菌剂，使牙刷具备一定的抗菌清洁能力。

关键词：TRIZ理论;牙刷;缓冲;硬组织损伤

一、问题的提出

刷牙是人们日常生活中保持口腔卫生最主要的手段。牙刷的作用是通过摩擦去除附着在牙齿及修复体表面的菌斑和微生物。生活中，人们常误认为加大刷牙时的力度可以提高牙齿的清洁效率，却不知用力过大会造成牙齿硬组织的损伤，引发牙体楔状缺损和牙龈软组织萎缩等口腔组织疾病。而人群在口腔卫生保健宣传引导不足的情况下，很难判断自己刷牙的力度是否合适。同时，牙刷使用后，刷毛上会黏附菌斑和微生物，如果不能及时清洁，菌斑和微生物会在刷毛表面大量繁殖并引起异味，对保持口腔健康十分不利。使用一段时间后，普通牙刷的刷毛因为力学性能改变发生倾倒、飞边等情况，造成清洁牙齿效果下降、损伤牙龈组织等问题。解决这个问题的办法就是及时更换新的牙刷，但频繁更换牙刷又会造成材料的浪费。

为解决普通牙刷存在的以上问题，笔者希望设计一种减力缓冲替换式的牙刷，且牙刷必须包含以下几种功能或优点：（1）可以将刷牙的力量控制在一定范围内;（2）可以减少因更换牙刷而产生的浪费;（3）具备一定的自我清洁或抗菌能力;（4）结构简单，使用寿命长。

二、基于TRIZ原理的问题分析

利用TRIZ理论分析问题的流程：在经典TRIZ理论中，需要将实际问题转化为问题的模型，然后利用TRIZ中解决问题的工具找到解决方案的模型，最后将解决方案的模型转化为具体的解决方案。TRIZ问题的模型包括技术矛盾、物理矛盾、物场模型以及功能化模型（How to）等。技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在相互制约[1]。物场模型是指最简单的完整工程系统，必须具备三个要素：两个物质和一个场。两个物质之间还必须有某种作用。物理矛盾是指同一个参数具有相反且合乎情理的需求。而现代TRIZ理论中引入了对问题模型的分析工具，如功能分析、因果链分析等。功能分析是一种识别系统和超系统组件的功能、特点及其成本的分析工具。因果链分析是一种识别分析工程系统的关键缺点的分析工具。

（一）功能分析

对实际问题进行功能分析，确定工程系统为牙刷。

（二）因果链分析

确定初始缺点后逐层寻找直接缺点，找到关键缺点11、关键缺点：1.1.1.1和关键缺点1.1.1.4，分别转化为关键问题1：如果控制刷牙的力度;关键问题2：如何不让牙菌斑黏附刷毛;关键问题3：如何减少更换牙刷的浪费。并利用TRIZ分析工具对其进一步分析，寻找解决方案。

（三）技术矛盾

关键问题1：如果控制刷牙的力度

针对过大的刷牙力量造成口腔软硬组织损伤的问题，一方面可以提高人群的口腔卫生保健宣教力度，倡导健康的刷牙方法;另一方面，我们考虑设计一种可以调节力度的牙刷。

首先，我们运用TRIZ问题模型对这个关键问题进行分析。技术矛盾1：如果减小刷牙时的力度，那么会减少对牙齿软硬组织的损伤，但是会减低牙菌斑的清洁效率。为了验证我们描述的是否正确，我们采用技术矛盾2来再次描述：如果增大刷牙时的力度，那么会增加对牙齿软硬组织的损伤，但是会提高清洁牙菌斑的效率。技术矛盾1中，改善的参数为“对牙齿硬组织的损伤”，恶化的参数为“牙菌斑的清洁效率”，分别与技术矛盾2中的恶化参数和改善参数相对应，从而验证了我们描述的正确性。然后，将“对牙齿硬组织的损伤”和“牙菌斑的清洁效率”两个参数转化为39个通用工程参数，分别对应“物体产生的有害因素”和“效率”。通过矛盾矩阵找到发明原理5（组合）、发明原理19（周期性作用）、发明原理24（中介物）和发明原理28（机械系统替代）。

我们根据发明原理28（机械系统替代）C：“用运动场代替静止场”的指引，在刷毛与刷头之间设计减力缓冲装置，同时添加U型缓冲垫。刷牙时，力量由刷柄传递至刷头，经过减力缓冲装置时，缓冲掉部分力度，从而将刷柄传导过来过大的力控制在一个正常区间范围值内，再传递给刷头。保证刷毛施加给口腔软硬组织的力度适当，减少伤害。从而解决了功率与静止物体的体积之间的矛盾。

（四）物场模型

关键问题2：如何不让牙菌斑黏附刷毛

牙刷使用后需要良好的自身清洁，否则会因附着在刷毛上的菌斑微生物大量繁殖而产生异味。针对此关键问题，我们将其转化为“物场模型”进行分析。S1为刷毛，S2为牙菌斑，F为机械场。S2对S1产生粘附作用，属于是“有害作用”[4]，确认模型符合“有问题的物场模型”。根据“物场模型”第一类标准解：拆解物场模型。尝试在系统中增加一个S3或F2来解决此问题。最终，我们在系统中添加一个F2：化学场，即在刷毛中添加银系无机抗菌剂[2]。在牙菌斑对刷毛产生黏附时，可以起到抑制菌斑微生物在刷毛表面繁殖、矫正味道、保持清洁的作用。

（五）物理矛盾

关键问题3：如何减少更换牙刷的浪费

牙刷使用1至3个月后需要更换，如果全部更换会造成经济和资源上的浪费。我们通過“物理矛盾”对此关键问题分析：“牙刷需要及时更换，因为可以保持口腔卫生健康;但是，牙刷不需要及时更换，因为可以减少材料浪费。”根据解决物理矛盾的方法：（1）分离矛盾需求，我们尝试进行“基于空间的分离”，发现需要及时更换的是刷毛部分，而刷柄部分不需要及时更换。因此，确定此关键问题可以使用“空间分离”的办法来解决。我们采用发明原理1（分割），将易粘附菌斑微生物的刷头与不易黏附菌斑微生物的刷柄分开，更换牙刷时仅需更换刷头即可，从而解决了更换牙刷与资源浪费之间的矛盾。

（六）技术方案及评价

减力缓冲装置+抑菌清洁功能+刷头刷柄分体式结构。简易减力缓冲装置中的组件包括：减力弹簧、缓冲弹片、定位凹槽等[3]。刷柄连接刷頭的一端中部开设有截面呈倒T型的空腔，空腔由径向腔以及连通径向腔和外界的轴向腔构成;减力弹簧的一端轴向固定于径向腔内底壁中部，减力弹簧的另一端沿轴向腔伸出空腔;刷头连接刷柄的一端中部开设有定位凹槽，减力弹簧伸出空腔的一端可拆卸地连接与定位凹槽内的底壁;缓冲弹片设置有两片，并呈八字形对称设置，两片缓冲弹片的收口端分别固定于定位凹槽对应刷头的刷毛面和刷背面的两侧内壁，阔口端沿轴向腔轴向伸入径向腔内。通过以上各组件之间的相互作用，不仅能在刷牙时起到减力缓冲作用，还能增加刷头与刷柄的稳定性。

最终确定方案：如图所示。利用TRIZ原理将刷头与刷柄设计成分体式结构，在两者之间设计一个简易减力缓冲装置，并添加U型缓冲垫。当患者用力过大时，会缓冲装置抵消掉一部分，进而辅助患者养成良好的刷牙习惯。在刷毛的原料中添加抗菌剂的同时，还可以适当添加各种口味的矫味剂，以满足客户需求的多样性。外包装采用铝制盒具，方便日常高温消毒和携带。

三、结语

运用TRIZ理论，在设计过程中打破了固有的思维定式，有效地降低了研发的时间、人力成本。通过功能分析对系统组件进行相互作用评价及分析，通过“因果链”寻找关键问题。运用“技术矛盾”“物理矛盾”等方法分析关键问题，对应矛盾矩阵的“40个发明原理”拓展解决问题的思路。

新系统应用简易减力缓冲装置各个组件之间的相互作用，可以缓冲掉刷牙中过大的力量，不但解决了刷牙中对口腔软硬组织损伤的问题，提高了牙刷的健康卫生，还减少了材料的浪费。

参考文献：

[1]张永慧，付海荣，方浩，等.基于TRIZ理论的一种便携式多功能医用点滴架[J].丝路视野，2018，（15）：110.

[2]宋钰，赵新军.基于TRIZ理论的牙刷发展分析[J].科技创新与品牌，2018，（1）：7073.

[3]陈进松.一种替换式刷头减力缓冲牙刷：CN20201095 3676.8[P].20201204.

[4]孙永伟.TRIZ——打开创新之门的金钥匙（八）[J].家电科技，2013（11）：2425.

基金项目：全国高等教育教学改革研究课题项目（项目编号：2018HER01109）;重庆市高等职业技术教育研究会高等教育科学研究课题项目（项目编号：GY201063）

*通讯作者：闫一梵（1990—），女，汉族，口腔医学硕士，MATRIZ国际二级认证专家，一级创新咨询师，研究方向：牙周黏膜病及义齿修复。