Z přírodních věd do techniky a zpět podle TRIZ

Bohuslav Bušov, Marie Bartlová

ÚVOD

Značný nárůst znalostí ve všech oblastech lidské aktivity zapříčinil, že vzdělávací systémy všech zemí ještě intenzivněji než kdykoli předtím řeší věčný problém obsahu (co) a formy (jak) vzdělávání.

TRIZ je metodika výchovy k tvořivosti, prostředek atraktivizace technického vzdělávání, ale i nástroj analýzy problému a hledání tvůrčího řešení na startu všech procesních i výrobkových inovací v praxi. Článek představuje několik kostek z bohaté mozaiky metody TRIZ na řešeném příkladu životnosti trysky raketového motoru.

Co je TRIZ

TRIZ je akronym metody Teorii reshenia izobretatelskih zadach – metody založené v r. 1946 hlavním autorem G.A.Altshulerem a rozvíjené jeho žáky v zemích bývalého USSR a nyní v USA, UK, Česku, Francii, Německu, Japonsku a jinde. TRIZ obsahuje dvě komplementární metody.

První metodou je analýza zdokonalovaného systému, „strategická“ metodická podpora uživatele, pomáhá nalézat odpovědi na otázky „co“ a „proč“ má být v systému zdokonaleno. Výsledkem analýzy jsou správně formulovaná inovační zadání opřená o analýzu prvků, vazeb, funkcí a nákladů na jejich realizaci. Zkušení vědí, že správné zadání je více než polovina řešení. Nevíš-li kam jdeš, určitě dojdeš někam jinam…

Druhou metodou je syntetický Algoritmus řešení invenčních zadání (ARIZ), pracovní postup algoritmického typu, „taktická“ metodická podpora uživatele, pomáhá nalézat odpovědi na otázky „jak“ řešit inovační a složitá invenční zadání, stanovená v závěru analýzy. Proces řešení invenčních úloh pomocí ARIZ směřuje k nalezení a řešení technického a fyzikálního rozporu v problému, pomáhá modelovat konflikt látek a nabízí obvykle úspěšné vzorce řešení modelu, pomáhá hledat klíčovou technickou funkci v systému a nabízí efekty přírodních věd pro realizaci technické funkce.

Analýza problému i syntéza řešení metodami TRIZ jsou podporovány expertním systémem Invention Machine® – IM® jednak znalostními doporučeními, jednak relevantními informacemi z patentových databází a z Internetu.

VÝCHODISKA metody TRIZ

Dvě hlavní teze metody TRIZ jsou následující: – technické systémy se rozvíjejí v souladu s objektivními tendencemi rozvoje techniky, – rozvoj systému se děje vždy překonáním technického a nebo fyzikálního rozporu.

Tendence rozvoje i principy překonávání rozporů v technických systémech byly, podobně jako ostatní znalostní a informační nástroje metody TRIZ, formulovány teprve na podkladě mohutného empirického výzkumu, analýzou kvanta historických dat – 1.5 mil. patentů. Analýza patentů vedla k poznání, že znakem kvalitního vynálezu je vždy překonání technického, či fyzikálního rozporu mezi často protichůdnými požadavky kladenými na části, či jednu část technického systému. Proto také řešitel technického problému by měl nejprve analyzovat problému, odhalit technický rozpor (TR) a jeho často skrytou fyzikální podstatu – fyzikální rozpor (FR), z technické reality by měl abstrahovat model konfliktu, měl by určit klíčovou technickou funkci.

Case study: Životnost trysky raketového motoru

Analýza problému jak prodloužit let rakety ukázala, že jedním z kritických uzlů je tryska raketového motoru. Teplota plynů v trysce dosahuje 3000 C. Problémovou situaci vystihuje obr. 1. Požaduje se prodloužení životnosti trysky. Jak řešit problém?

Podle syntetické části metody TRIZ budeme v problému postupně formulovat technický rozpor, fyzikální rozpor, model konfliktu, klíčovou technickou funkci. Odměnou budou získaná doporučení, jak ideově řešit podstatu problému.

Obr.1 Problémová situace: Teplota plynu zkracuje dobu trvání trysky raketového motoru.

Technický rozpor, kauzalita a heuristiky pro řešení

Technický rozpor (TR) vystihuje rozpor v situaci, kdy jistá změna (např. zvýšení teploty plazmatu), zlepšuje jednu charakteristiku (rychlost rakety), ale také zhoršuje jinou charakteristiky (nestabilita rakety). Podstatné je, že formulace TR vystihuje rozpor mezi dvěma odlišnými částmi nebo charakteristikami či parametry (teplota plazmatu versus nestabilita rakety). Můžeme formulovat TR způsobem “ad hoc”, intuitivně, s rizikem formulace nesprávného TR. Můžeme však formulovat TR způsobem systematickým, logickým, s velkou jistotou správnosti formulace TR. Preferujeme druhý způsob. Mezi zlepšovanou charakteristikou (požadovaným efektem – PE) a zhoršující se charakteristikou (nežádoucím efektem – NE ) existuje kauzální řetězec příznaků a důsledků. Je velmi užitečné sestavit takový příznakově důsledkový (kauzální) řetězec mezi PE a NE. V našem případě je PE – velká rychlost rakety, zajišťovaná příznakem – vysokou teplotou reaktivních plynů. V našem případě je NE – nedostatečná doba letu, nestabilita rakety, způsobovaná jednotlivými důsledky – velkým úbytkem hmotnosti, objemu a krátkou životností trysky. Články řetězce příznaků PE a důsledků vedoucích k NE jsou na obr. 2

Kdybychom sestupovali od PE v řetězci jeho příznaků (předpokladů) ve směru dolů, zjistíme, že každý hlubší příznak zakládající PE může být hledán pomocí odpovědi na otázku – Co je hlubším předpokladem (příznakem) zajištěného PE, neboli jakým hlubším příznakem (jak) zajistit PE? Příklad: Jakým příznakem (jak) zajistit velkou rychlost rakety? Odpověď: Zajištěním vysoké teploty plynů.

V jisté hloubce příznaků PE nejhlubší rozeznaný příznak produkuje první rozeznatelný důsledek. Tento důsledek je příčinou dalšího důsledku v řetězci, který končí NE. Kdybychom vystupovali od NE v řetězci jeho příčin ve směru nahoru, zjistíme, že každá hlubší příčina způsobující NE může být hledána pomocí odpovědi na otázku – Co je hlubší příčinou způsobeného NE, neboli z jaké příčiny (proč) vzniká NE? Příklad: V důsledku čeho (proč) se zkrátila doba trvání trysky a letu rakety? Odpověď: V důsledku velkého úbytku trysky.

Obr. 2 Přičinně důsledkový řetězec a negace jeho článků

Pravý řetězec (obr.2) je negací levého řetězce – každé dvě položky v řádku (1-5) jsou tedy navzájem opačné. Nyní je účelné všimnout si několika variant přechodu z levého řetězce, ve kterém příznaky zajišťují PE, na pravý řetězec, ve kterém negované důsledky vedou k potřebnému cíli, k negaci NE.

Každý řádek (1-5) je označen číslem charakteristiky (9, 17, 1, 7, atd) z tabulky G.S. Altšullera. Jednotlivé technické rozpory – TR formulujeme na přechodech z i-1 řádku levého řetězce na i-tý řádek pravého řetězce nebo naopak. Přechody s formulacemi úloh a jednotlivé TR jsou v obr. 2 označeny čárkovaně a číslovány (TR1-8, … TR n). Altšullerova tabulka pro řešení úloh – rozporů doporučuje heuristické postupy (principy) – doporučení získaná analýzou patentů udělených autorům za úspěšné vyřešení stejných TR, i když v technických problémech z různých oblastí techniky. Doporučené heuristiky by měly řešitele inspirovat k ideovému řešení formulovaných TR.

Formulace úloh, odpovídající technický rozpor a doporučené heuristiky pro jeho řešení:

Zadání 1: Jak zajistit velkou rychlost rakety (9) při nízké teplotě plynů (17);

TR 1: 9 versus 17 nebo naopak 17 versus 9 Doporučené heuristiky: 28, 30, 36, 2.

Zadání 2, 3 a 4: Jak zajistit vysokou teplotu plynů (17) při malém úbytku hmotnosti (1), objemu (7) a materiálu trysky (23);

TR 2: 17/1 nebo 1/17. Doporučené heuristiky: 36, 22, 6, 38 nebo 6, 29, 4, 38.

TR 3: 17/7 nebo 7/17. Doporučené heuristiky: 34, 39, 40, 18.

TR 4: 17/23 nebo 23/17. Doporučené heuristiky: 21,36, 29, 31.

Zadání 5, 6, 7: Jak zajistit dlouhou dobu trvání trysky (15) při velkém úbytku hmotnosti (1), atd. (7)?

TR 5: 1/15 nebo 15/1. Doporučené heuristiky: 5, 34, 31, 35 nebo 19, 5, 34, 31, atd.

Zadání 8: Jak připustit zkrácení doby trvání (15) trysky, ale přitom zajistit stabilitu letu rakety (13)?

TR 8: 15/13 nebo 13/15. Heuristik: 13,3,35 nebo 13,27,10,35

TR n: 9/13 nebo 13/9. Heuristiky: 28,33,1,18 nebo 33,15,28,18

Doporučené heuristiky seřazené podle četnosti: 31…3x, 34…3x, 35…3x, 36…2x

Heuristiky s větší četností by měly mít vyšší pravděpodobnost úspěšné aplikace při snaze řešitele o zajištění PE a zabránění vzniku (negaci) NE. Velmi stručné znění heuristik:

31: Použít pórovité materiály. 34: Dočerpat a odhodit část objektu. 35: Změnit strukturu objektu. 36: Použít fázové přechody látek. Je užitečné uvažovat i méně četné heuristiky. 27: Místo drahé trvanlivosti použít lacinou nahraditelnost. 3: Místo stejnorodé struktury přejít k nestejnorodé struktuře objektu. 22: Změnit škodlivé působení v užitečné působení. 28: Změnit vazbu mezi prvky. 1: Segmentovat objekt. Zájemci o způsob formulování TR a heuristiky pro jejich řešení mohou získat Altšullerovu tabulku (ve všech světových jazycích) od autorů článku na www.triz.cz.

Báze informací v IM pro každé heuristické doporučení nabízí řešiteli několik patentovaných aplikací (obrázek + inženýrská idea) z různých oblastí vědy a techniky. jsou to reprezentanti objektivního a úspěšného využití dané heuristiky při řešení stejného technického rozporu, ale v absolutně odlišné technické oblasti (technické konstrukci). Jak tato doporučení a informace proměnit ve znalost, navrhnout ideu řešení a potom realizovat v konstrukci trysky? To zůstává úkolem pro mozek a představivost řešitele. Obr. 3 – poster.

Fyzikální rozpor a postupy jeho řešení

Hlubší analýzou TR lze nalézt jeho podstatu, fyzikální rozpor – FR. Každá varianta TR na přechodu od PE k negaci NE může ukázat na klíčový prvek v řetězci.Takový prvek v řetězci je nutno nalézt a formulovat na něm FR.

Obecně řečeno, klíčovým prvkem bude ten materiální prvek v řetězci, který svými zdroji (látky a energie) může produkovat nejen nutný příznak existence PE, (počátek levého řetězce), ale také zajistit negaci obvyklého důsledku vedoucího k NE a proto zajistit negaci NE (konec pravého řetězce). V našem případě trysky jsou klíčovými materiálními prvky plyn a stěna trysky.

Podstatné je, že fyzikální rozpor musí být formulován na jednom prvku, na jedné jeho fyzikální veličině a musí klást rozporné požadavky na hodnotu oné veličiny. Například plyn musí mít teplotu vysokou, abychom zajistili rychlost rakety, ale plyn musí mít teplotu nízkou, abychom prodloužili dobu trvání trysky. Jak zajistit plyn s teplotu vysokou i nízkou? Fyzikální rozpory jsou řešitelné změnami v čase, v prostoru a ve struktuře. Tento FR lze uspokojit řešením v prostoru, teplota plynu u stěny nízká, v ose vysoká.

Například tryska a musí mít stěnu silnou, aby byl malý úbytek trysky a dlouhá doba letu rakety, ale stěna trysky musí mít stěnu tenkou, abychom mohli dosáhnout velké rychlosti rakety (tenká stěna trysky, nízká hmotnost, nízká tepelná setrvačnost, snadné chlazení trysky). Jak učinit stěnu trysky tlustou i tenkou? Tento FR lze uspokojit řešením v prostoru a změnou struktury: více tenkých vrstev tvořících tlustou trysku. Obr. 4 – poster.

Model konfliktu a vzorce jeho řešení

Tento metodický nástroj z TRIZ, nazývaný “SubField” analyses, je vhodné použít v situaci, kde chceme změnit vazbu konfliktní působení. Konflikt modelujeme mezi látkami, kde vzniká neuspokojivá vazba, neuspokojivé působení (nedostatečné, nadbytečné, škodlivé). V naší situaci je škodlivé působení mezi tryskou a plazmatem (teplota plazmatu likviduje stěnu trysky). Pro řešení nalezeného modelu konfliktu látek (plazma – tepelné působení – stěna trysky) TRIZ a systém IM doporučuje využít vzorce řešení získaná analýzou úspěšných a patentově chráněných řešení modelově stejných, přičemž technicky absolutně různých situací.

Některá doporučená vzorová řešení doporučují zavést “doplněk”, jiná zavést „prostředníka“. Optimálními doplňky jsou „látky a pole“, které není třeba doplňovat, které jako zdroje již existují v systému nebo nadsystému.

Možné řešení: Jako doplněk by mohla být využita pevná látka – materiál trysky v podobě doplňkových vnitřních prstenců odklánějících žhavé plyny od stěny trysky. Nebo chladicím doplňkem může být kapalná látka – tekuté palivo raketového motoru. Prostředníkem by mohl být i plyn například proud vzduchu obtékající trup i trysku rakety. Jedno z možných řešení bylo užito v raketách SCAD. Obr. 5 – poster.

Funkce a použitelné EFEKTY z přirodních věd

Ideu řešení teplotního konfliktu mezi tryskou a plazmatem je možno hledat také na základě přímé konzultace technické funkce na jedné straně s přírodními vědami, přesněji s fyzikálními, chemickými a geometrickými jevy a efekty na druhé straně.. Analýza problému, formulovaný technický a fyzikální rozpor, model konfliktu mezi látkami poskytly uživateli dostatek informací k tomu, aby označil tu potřebnou technickou funkci, která by vedla k negaci NE. Jako potřebná funkce může být označena funkce: absorbovat teplo nebo chladit. Systém IM vybere z několika tisíců efektů jen takové a právě takové jevy a efekty přírodních věd, které mohou být zdrojem funkce: absorbovat teplo plynu v místě styku s tryskou. Představí se fyzikální, chemické a geometrické jevy a efekty schopné absorbovat tepelnou energii. (tavení pevných látek, var, vypařování, kapilární jevy, kondenzace, ionizace, Peltierův efekt, atd….) Všechny doporučené efekty fyzikální, chemické a geometrické by měl uživatel kriticky posoudit (zda pro jejich uskutečnění jsou v dané situaci vhodné podmínky, tzn. dostatečné zdroje látek a polí) a měl by se nechat inspirovat prohlídkou patentovaných technických řešení, ve kterých byly vybrané efekty úspěšně aplikovány. Takovým způsobem znalostně a informačně posílen uživatel zkoumá, sám nebo studiem literatury nebo konzultacemi s experty, využitelnost některých jevů a efektů pro řešení své klíčové funkce: absorbovat teplo. Označené efekty lze propojovat s dalšími kompatibilními a řidícími efekty. Uživatel hledá nové možnosti, jak uskutečnit technickou funkci jiným efektem, hledá nové principy plnění funkce. Obr. 6 – poster.

SHRNUTÍ

Uživatel seznámený s metodou TRIZ analyzuje technický problém. Dospívá k formulaci inovačních zadání. Zadání musí uživatel přeformulovat do podoby inovačních úloh v podobě rozporů, modelů konfliktů a technických funkcí. Doporučení se nabízejí v podobě osvědčených heuristik, postupů, vzorců a efektů. Informace mají podobu technických patentovaných a representativních aplikací jednotlivých doporučení. Řešitel může odhalené technické rozpory překonávat doporučenými heuristickými postupy, fyzikální rozpory může řešit rozkladem v čase, v prostoru a změnou struktury, model konfliktu v problému může řešit doporučenými modelovými vzorci a technické funkce může novým způsobem uskutečňovat kombinacemi jevů a efektů známými z přírodních věd.

IM podporuje uživatele v etapě analýzy i syntézy, a to doporučeními a informacemi jednak z databáze IM, ale i vyhledáváním dalších relevantních informací dostupných na Internetu. Na základě doporučení, informací a myšlení řešitel nachází ideje, varianty řešení problému. Nalezené ideje – varianty řešení rozporů, konfliktů a funkcí může uživatel konfrontovat se stavem techniky opět pomocí IM, který prostřednictvím klíčových slov je schopen vyhledat další relevantní informace z elektronicky zpracovaných dat (www stránky, databáze patentů USA, JP,…).

Přetavení získaných doporučení a relevantních informací do aktivní znalosti řešitele je práce pro myslící mozek člověka. TRIZ a počítačová podpora IM nejsou náhradou myšlení jsou však metoda a prostředek efektivního a intenzivního tvůrčího myšlení člověka v dnešním světě dostupných znalostí a nepřehledného množství informací.

LITERATURA

[1] Altšuller, G.S., Šapiro, R.B.: O psychologii izobretatělskovo tvorčestva. Voprosy psychologii, 1956,N.6,p.37-49.

[3] Altšuller G.S., Vertkin I.M: Žizněnaja strategia tvorčeskoj ličnosti, Minsk, 1994

[4] Devojno I.: Zdokonalování techniky metodami TRIZ, INDUS, Brno, 1996

[5] Altšuller, G.S.: Co na to vynálezce ? INDUS, Brno,1996

[6] Salamatov, J.: Zakonitosti rozvoje techniky, INDUS, Brno, 2000

 [7] http://www.triz.cz; www.triz.minsk.by; www.triz-journal.com; www.invention-machine.com; www.invention-machine.se; etc, etc