中科大发明问题解决理论TRIZ法解读讲义05物质-场模型分析

88 第第 5 章章 物质物质-场模型分析场模型分析 5.1 物质物质-场模型场模型 物质场模型是 TRIZ 法重要分析工具，是用来分析与现存技术有关的模型类问题（Modeling Problems）。所有技术系统的作用是实现某种功能，所有的系统都可分解为由两个物质(S1,S2)和一个场(F)三个基本元件组成。如图 5.1 所示，其中物质 S1 是系统动作的接受者,场 F 通过物质 S2 作用于物质 S1 并改变S1。物质 S1 和 S2 的定义取决于每一个具体的应用，它们可以是整个系统、子系统或单个物体，可以是材料、工具、零件、人或环境等任何东西。场为系统提供能量，促使系统发生反应，从而可以实现某种效应。这种效应可以作用于 S2 上，或作用在场信息的输出物上。物质-场模型简称为物场模型，相应的分析称为物场分析。物场分析中的物不仅包括各种材料，还包括技术系统（或其组成部分），外部环境甚至可以是活的有机体。物场分析中场的概念也是有别于物理学中的场，它是一种能量的概念。在物场分析中，使用了更细的分类法：力场（压力、冲击、脉冲）、声场（超声波、次声波）、热能场、电场（静电、电流）、磁场、电磁场、光学场（紫外线、红外线、可见光）、电离辐射场、放射性辐射场、化学场（氧化、还原、酸性、碱性环境）、气味场等。F FS S2 2S S1 1 图 5.1“物质场模型”一个完整的系统模型是“两个物质和一个场”的三个元件组合。因此，经常可以把要求创新的问题表达两种物质和一种场相互关系的三角形。复杂的系统可利用多个“物质场”三角形的连接进行建模。Altshuller 通过对物-场的研究，发现并总结出以下定律：（1）所有的系统都可以分解为 3 个基本要素（S1、S2、F）（2）一个完整的系统必定由这三个基本要素组成（3）将相互作用的 3 个基本要素进行有机组合将形成一个功能 89 在物场模型中，S1、S2 是具体的，即是“物”。一般 S1 表示原料，S2 表示工具。F 是抽象的，即是“场”。物场模型为我们对技术系统分析提供了一种方便快捷的方法，利用这种方法和 TRIZ 法已有的 76 种标准解，可以在汲取基本知识的基础上萌发不同的创新方案。物场分析方法最适合解决模式化问题，就像解决矛盾有一个固定的模式一样。当然，比起其它的 TRIZ 法工具，物质场分析方法则需要更多的支持性知识。对应物场分析的知识汇总是 76 种标准解法，见附录 B。5.2 物质物质-场模型分析模式场模型分析模式 用物质-场模型进行产品创新设计时，通常有如下几种模式。1有效完整系统模式。组成系统模型的三元件都存在，且都有效，能实现设计者所追求的效应。2不完全系统模式。组成系统模型的三元件（两个物质，一个场）中部分元件不存在，需要增加系统元件来实现有效完整的系统功能。3非有效完整系统模式。模型中的三元件都存在，但设计者所追求的效应未能完全实现，如产生的力不够大，温度不够高等。为了实现预期的效应，需要对原有系统进行改进。4有害完整系统模式。模型三元件都存在，但产生的是与设计者所追求的相冲突的有害效应。在创新设计过程中，要消除系统这种有害的效应。如果系统模型三元件中的任何一个元件不存在，则表明该模型需要进一步完善，同时也就为发明创造、创新性设计指明了方向。若模型具备了所需的三元件，则通过物质场模型的分析可为我们提供改进系统的方法，从而使系统具有更好的功能。遵循 TRIZ 法的类似思考规则，一个具有三元件的技术系统在有解的范围内有属于自己的基本规则。这些基本规则和 76 种标准解使 TRIZ 法物质-场模型分析方法得到了简化。5.3 物质物质-场模型的描述场模型的描述 为了方便世界范围内交流以及让分析的过程更加形象化。人们在科学研究的实践中形成了统一的物质-场模型的描述方法。具体符号如下：表 5.1 描述物场模型的符号 90 1完整的系统。描述如图 5.1，场 F 作用于 S2 上，使 S2 对 S1 产生影响，从而改变 S1，达到预期效果。例如：磁铁通过磁场将铁片从地上吸引上来。将其用物场模型描述就是：F为磁场，S1 为铁片，S2 为磁铁。即 F 磁场作用于 S2 磁铁上，使 S2 磁铁对 S1铁片产生影响，改变其所处位置状态。它用物场模型描述即如图 5.2 所示。F F磁场磁场S S2 2磁铁磁铁 S S1 1铁片铁片 图 5.2 完整系统的物场模型-磁铁吸引铁片 2产生有害作用的系统。描述如图 5.3，场 F 作用于 S2 上，使 S2 对 S1 产生有害作用影响。例如：马路上奔腾不息的车辆的振动形成了噪声，对居住在马路两边的居民造成了有害的影响。将其用物场模型描述就是：F 为振动场，S1 为居民，S2 为空气。即 F 振动场的能量作用于 S2 空气。振动场的能量作用在空气上形成驻波，产生噪声，噪声作用于 S1 居民身上，对其正常生活形成了干扰。它用物场模型描述即如图 5.3 所示。F F振动场振动场S S2 2空气空气 S S1 1居民居民 图 5.3 有害作用的系统的物场模型-汽车噪声扰民 3对于不足的作用和效益。描述如图 5.4，场 F 作用于 S2 上，使 S2 对 S1产生影响，从而改变 S1。但场 F 的作用效果不足，因此使 S2 对 S1 作用的效果也不足。例如：寒冷的冬季，室内暖气不足，人们觉得寒冷。其用物场描述就是：91 F 为暖气系统产生的热场，S1 为人，S2 为室内的空气。即热场作用于 S2 室内的空气，空气受到激活，作用于 S1 人身上。但由于 F 热场产生的能量不足，作用不足，对 S2 空气的激发作用不够，从而导致 S2 对 S1 作用不足，取暖效益不明显，对 S1 产生的影响未能达到预计效果。用物场模型描述如图 5.4 所示。F F热场热场 （暖气系统暖气系统）S S2 2空气空气 S S1 1人人 图 5.4 不足作用和效益系统的物场模型-供热不足 5.4 物质物质-场模型工作流程场模型工作流程 构造物质场模型通常遵循如图 5.5 所示的工作流程,即 1识别元件，定义模型中的三个要素，2构建模型，3从 76 个标准解中选择合适的解作为解决方案，4进一步发展解，以达到系统的有效和完善，5实现具体解，6探求另外可行解。其中第六步是附加步骤，可以根据实际需要确定是否实施。不实施第六步不会导致系统问题无法解决。但若实施它，可能会发现更好的解决方案，从而达到更好的效果。第六步的实施对解决系统问题造成的时间成本也需要设计人员加以考虑。在完成第一、第二两步之后，应该对系统的完整性、有效性进行评价，若缺少组成模型的某元件，要识别它是什么，尽快确定它。第三步考虑解决方案，从 TRIZ 法所提供的 76 个标准解中选择一个或几个适合该问题的解决方案。特别提醒的是，不要轻易排除可能的解，看似不适合的解可能从另一个角度会得到很好的运用。第四步进一步发展所得解的概念，以支持获得的该问题的最佳解决方案。第五步实现具体解，使问题得到解决。图 5.5为用物场模型解决问题工作流程。92 图 5.5 物质场模型工作流程 从上述“物质场”模型工作流程可见：在得到完整模型之前，该流程将在第一步和第二步之间循环；当有了完整模型之后，其循环过程则不断在第三和第四步之间往复进行，以获取适合的解决问题方案，其中的第三步使设计人员的思维有了重大的突破。在考虑整个系统可行方案时，在可能的条件下，设计人员应尽可能考虑多种选择方案。5.5 物质物质-场场模型模型组建的规则组建的规则 1非物质-场系统（只包含一个组件）或者非完整物质-场系统（包含两个组件）应该建立完整物质-场。在问题的初始条件中，往往可以提炼出两个物质和一个场，但有些情况下它们之间没有很好的相互作用，但提炼出的物质和场本身确实是系统的关键因素，无法用系统中的其他要素替代。这种情况下，需要改进物场模型，增强物质的可控性，确保各要素之间发生必要的作用，把各要素相互作用的特性向目标方向改善。如抛锚的汽车停在马路上，前来的拖拽车要利用机械力将其拖走，其初始物场模型如图 5.6 所示。图 5.6 汽车拖拽系统的物场模型 在图 5.6 物场模型中 S1 为抛锚的汽车，S3 为拖拽车，F 为机械场。每个要素都是系统中最关键的不可替代的。但由于 S3 不直接接触 S1，不能将场的作用充分的传递给 S1，此物场模型不能使整个系统运转起来。经过分析，针对两个要素不能直接接触的问题，我们加入钢索将两车栓到一93 起，形成机械场的传递，增强其可控性，从而达到让系统运转的目的。其模型图如图 5.7 所示。S S3 3S S1 1F FS S2 2S S2 2S S1 1F FS S3 3 图 5.7 添加钢索的汽车拖拽物场模型图 右图为添加钢索后形成的有效完整系统模型。其中 S2 代表添加的钢索。S2为直接对 S1 产生作用的要素，它对 S1 产生作用的来源为 F 和 S3 对其的作用，S2 和 S3 同时受 F 机械场的作用。2把易控的、具有所需特性的补充物引入到系统，形成复合物场。补充物可以引入到：（1）物质内部，形成内部复合物场；（2）物质外部，形成外部复合物场。如下雪天汽车行驶在马路上，由于路面雪的覆盖导致摩擦系数降低，汽车轮子打滑。此时汽车轮胎已经既定，马路情况也不易改变。则可以在车轮上加设铁链，利用铁链与地面的作用增大前进阻力，使车轮打滑状况大大减少。其物场模型如图 5.8 所示。S S2 2S S1 1F F1 1S S3 3S S2 2S S1 1F F1 1S S3 3图 5.8 汽车防滑系统的物场模型 其中 S1 表示汽车行驶的路面，S2 表示汽车轮胎，F1 为发动机施加在轮子S2 上的力场。由于雪的覆盖使摩擦系数降低，S2 对 S1 的作用不大，产生效应不足，用虚线表示。S3 为车轮上加设的铁链。图 5.8 的右图表示出，由于 S3 的加入，系统作用充足，从而构成有效完整的系统。3.如果不允许将其他物质引入系统，那么可通过引入外部环境中现有的物质，同时在外部环境中形成物场来解决问题。也就是把环境中存在的物质作为94 S3，利用这些物质特性或者他们与系统中物质相互作用来形成物场。如现代社会中的白领女性工作常年与电脑打交道，深受电磁辐射的危害。特别是其怀孕时期，长期的电磁辐射无疑会对将来的宝宝的健康造成影响。但是在竞争激烈的今天，不可能孕期完全休养在家。这就形成了电脑通过电磁场对白领女性造成有害影响的系统，其物场模型如图 5.9 所示。为了降低伤害，可以引入外部物质，如人们常使用的防辐射服装，通过引入的物质，在系统外部形成物场，经过外部物场的作用，对原来的场起到降低甚至屏蔽的效果，从而使整个系统朝安全有益的方向发展。其模型图如图 5.9 所示。S S3 3防辐防辐射服射服 F F能量场能量场（电流电流）S S2 2电脑电脑S S1 1人人S S2 2电脑电脑S S1 1人人 F F能量场能量场（电流电流）S S3 3防辐防辐射服射服 5.9 通过引入外界物质要素构成有效完整系统的模型 左图为作为要素之一的 F 能量场（电流形成的能量场）作用于 S2 电脑使其激发，S2 激活散发出电磁波作用于要素 S1 人身上。由于电磁波对人体健康会产生不利影响，因此形成了有害作用系统。通过引入外部环境中现有的物质 S3 即防辐射服装，形成了右图所示的系统。防辐射服代替 S1 人与 F 电磁场、S2 电脑组成系统，接受 S2 对其的影响。从而使人从此有害系统中脱离。4如果只需要最小的作用状态，但现有条件无法满足，则采用大的作用状态，再把多余的部分带走。例如制作精细陶瓷的时候，常常先做出一个略大于目标产物的毛坯，再通过精细加工得到目标产物。增加的精细加工程序，保证了产品的精密性。毛坯体积的富裕给后期加工提供了空间。其物场模型图如图 5.10所示。S S2 2S S1 1+S S3 3F F1 1S S4 4S S1 1F F2 2S S3 3 95 图 5.10 机械加工的物场模型图 其中 F 代表机械场，F1 为初加工的机械场，F2 为精细加工的机械场。