1、第三章 發(fā)明問題解決理論 (triz,萃智,第四節(jié) 物質(zhì)-場模型,物質(zhì)場模型是triz法重要分析工具，是用來分析與現(xiàn)存技術(shù)有關(guān)的模型類問題（modeling problems）。 所有技術(shù)系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)某種功能，所有的系統(tǒng)都可分解為由兩個物質(zhì)(s1,s2)和一個場(f)三個基本元件組成。 如圖所示，其中物質(zhì)s1是系統(tǒng)動作的接受者,場f通過物質(zhì)s2作用于物質(zhì)s1并改變s1,3,物質(zhì)s1和s2：二者定義取決于每一個具體的應(yīng)用，它們可以是整個系統(tǒng)、子系統(tǒng)或單個物體，可以是材料、工具、零件、人或環(huán)境等任何東西。 場：為系統(tǒng)提供能量，促使系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)，從而可以實現(xiàn)某種效應(yīng)。這種效應(yīng)可以作用于s2上，或

2、作用在場信息的輸出物上。 物質(zhì)-場模型簡稱物場模型，相應(yīng)的分析稱為物場分析。 物場模型的三定律： 所有的系統(tǒng)都可以分解為三個基本要素（s1、s2、f）； 一個完整的系統(tǒng)必定由這三個基本要素組成； 將相互作用的三個基本要素進行有機組合將形成一個功能,4,1有效完整系統(tǒng)模式。 組成系統(tǒng)模型的三元件都存在，且都有效，能實現(xiàn)設(shè)計者所追求的效應(yīng)。 2不完全系統(tǒng)模式。 組成系統(tǒng)模型的三元件（兩個物質(zhì)，一個場）中部分元件不存在，需要增加系統(tǒng)元件來實現(xiàn)有效完整的系統(tǒng)功能。 3非有效完整系統(tǒng)模式。 模型中的三元件都存在，但設(shè)計者所追求的效應(yīng)未能完全實現(xiàn)，如產(chǎn)生的力不夠大，溫度不夠高等。為了實現(xiàn)預(yù)期的效應(yīng)，需要對

3、原有系統(tǒng)進行改進。 4有害完整系統(tǒng)模式。 模型三元件都存在，但產(chǎn)生的是與設(shè)計者所追求的相沖突的有害效應(yīng)。在創(chuàng)新設(shè)計過程中，要消除系統(tǒng)這種有害的效應(yīng),5,為了方便世界范圍內(nèi)交流以及讓分析的過程更加形象化。人們在科學(xué)研究的實踐中形成了統(tǒng)一的物質(zhì)-場模型的描述方法。具體符號如下： 描述物場模型的符號,6,如上頁圖，場f作用于s2上，使s2對s1產(chǎn)生影響，從而改變s1，達到預(yù)期效果。 例：磁鐵通過磁場吸引鐵。 將其用物場模型描述就是： f為磁場，s1為鐵片，s2為磁鐵。即f磁場作用于s2磁鐵上，使s2磁鐵對s1鐵片產(chǎn)生影響，改變其所處位置狀態(tài),7,描述如右圖，場f作用于s2上，使s2對s1產(chǎn)生有害作用

4、影響。 例：車輛噪聲擾民 將其用物場模型描述就是： f為振動場，s1為居民，s2為空氣。即f振動場的能量作用于s2空氣。 振動場的能量作用在空氣上形成駐波，產(chǎn)生噪聲，噪聲作用于s1居民身上，對其正常生活形成了干擾,8,描述如右圖，場f作用于s2上，使s2對s1產(chǎn)生影響，從而改變s1。但場f的作用效果不足，因此使s2對s1作用的效果也不足。 例：冬季供暖不足，人們覺得寒冷。 其用物場描述就是：f為暖氣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱場，s1為人，s2為室內(nèi)的空氣。 即熱場作用于s2室內(nèi)的空氣，空氣受到激活，作用于s1人身上。 但由于f熱場產(chǎn)生的能量不足，作用不足，對s2空氣的激發(fā)作用不夠，從而導(dǎo)致s2對s1作用不足

5、，取暖效益不明顯，對s1產(chǎn)生的影響未能達到預(yù)計效果,9,構(gòu)造物質(zhì)場模型通常遵循下圖所示的工作流程,即 1識別元件，定義模型中的三個要素， 2構(gòu)建模型， 3從76個標準解中選擇合適的解作為解決方案， 4進一步發(fā)展解，以達到系統(tǒng)的有效和完善， 5實現(xiàn)具體解， 6探求另外可行解,10,第一種情況：非物質(zhì)-場系統(tǒng)（只包含一個組件）或者非完整物質(zhì)-場系統(tǒng)（包含兩個組件）應(yīng)該建立完整物質(zhì)-場,例：拋錨的汽車停在馬路上，前來的拖拽車要利用機械力將其拖走。 圖中物場模型中s1為拋錨的汽車，s3為拖拽車，f為機械場。 由于s3不直接接觸s1，不能將場的作用充分傳遞給s1，此物場模型不能使全系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來,11,針

6、對兩個要素不能直接接觸的問題，可以加入鋼索將兩車栓到一起，形成機械場的傳遞，增強其可控性，從而達到讓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的目的。 其中s2代表添加的鋼索。 s2為直接對s1產(chǎn)生作用的要素，它對s1產(chǎn)生作用的來源為f和s3對其的作用，s2和s3同時受f機械場的作用,12,第二種情況：把易控的、具有所需特性的補充物引入到系統(tǒng)，形成復(fù)合物場。 補充物可以引入到： （1）物質(zhì)內(nèi)部，形成內(nèi)部復(fù)合物場； （2）物質(zhì)外部，形成外部復(fù)合物場。 例：下雪天汽車行駛在馬路上，由于路面雪的覆蓋導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，汽車輪子打滑。此時汽車輪胎已經(jīng)既定，馬路情況也不易改變。則可以在車輪上加設(shè)鐵鏈，利用鐵鏈與地面的作用增大前進阻力，使車

7、輪打滑狀況大大減少,13,下圖s1表示汽車行駛的路面，s2表示汽車輪胎，f1為發(fā)動機施加在輪子s2上的力場。 由于雪的覆蓋使摩擦系數(shù)降低，s2對s1的作用不大，產(chǎn)生效應(yīng)不足，用虛線表示。s3為車輪上加設(shè)的鐵鏈。 下圖表示出，由于s3的加入，系統(tǒng)作用充足，從而構(gòu)成有效完整的系統(tǒng),14,第三種情況：如果不允許將其他物質(zhì)引入系統(tǒng)，那么可通過引入外部環(huán)境中現(xiàn)有的物質(zhì)，同時在外部環(huán)境中形成物場來解決問題。 例：現(xiàn)代社會中的白領(lǐng)女性工作常年與計算機打交道，深受電磁輻射的危害。特別是其懷孕時期，長期的電磁輻射無疑會對將來的寶寶的健康造成影響,15,為了降低傷害，可以引入外部物質(zhì)，如人們常使用的防輻射服裝，通

8、過引入的物質(zhì)，在系統(tǒng)外部形成物場，經(jīng)過外部物場的作用，對原來的場起到降低甚至屏蔽的效果。 上頁圖中f能量場（電流形成的能量場）作用于s2電腦使其激發(fā)，s2激活散發(fā)出電磁波作用于要素s1人身上。 由于電磁波對人體健康會產(chǎn)生不利影響，因此形成了有害作用系統(tǒng)。通過引入外部環(huán)境中現(xiàn)有的物質(zhì)s3即防輻射服裝，形成了右圖所示的系統(tǒng)。防輻射服代替s1人與f電磁場、s2電腦組成系統(tǒng)，接受s2對其的影響。從而使人從此有害系統(tǒng)中脫離,16,如果只需要最小的作用狀態(tài)，但現(xiàn)有條件無法滿足，則采用大的作用狀態(tài)，再把多余的部分帶走。 例：制作精細陶瓷的時候，常常先做出一個略大于目標產(chǎn)物的毛坯，再通過精細加工得到目標產(chǎn)物。

9、 增加的精細加工程序，保證了產(chǎn)品的精密性。 毛坯體積的富裕給后期加工提供了空間,17,其中f代表機械場，f1為初加工的機械場，f2為精細加工的機械場。 s2為用來進行粗加工的機器，s4為用來精細加工的機器。 s1+s2為初加工后的毛坯。 s1為最終產(chǎn)品，s3為毛坯上多余的材料。 初加工時f1作用于s2上，使s2（粗加工的機器）對s1+s3進行作用，得到初級產(chǎn)品。 精細加工時，在f2的作用下s4（精細加工的機器）將s3從s1+s3上面去除，從而留下目標產(chǎn)品s1,18,如果需要得到對某種物質(zhì)的最大作用狀態(tài)，而條件不允許，那么可以把此作用狀態(tài)作用于與之有關(guān)聯(lián)的另一個物質(zhì)。 例：汽車發(fā)動機失靈，無法將

10、汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為前進的動能，則可將此汽油放入拖拽機發(fā)動機內(nèi)，使拖拽機運動，拉著汽車前進,19,上頁圖中f表示汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成的機械能，s2為汽車的發(fā)動機，s1為汽車的運動系統(tǒng)。 當(dāng)汽車發(fā)動機失靈的時候，汽油的化學(xué)能無法正常的轉(zhuǎn)化為汽車運行所需的機械能，因此系統(tǒng)為一個作用效應(yīng)不足的系統(tǒng)。 用虛線表示其元件之間的鏈接關(guān)系。 當(dāng)變化其作用關(guān)聯(lián)物，即將汽油放入拖拽機發(fā)動機內(nèi)，物場模型變?yōu)槿缟享搱D所示。 汽油的化學(xué)能在拖拽機發(fā)動機內(nèi)轉(zhuǎn)化為機械能，由拖拽機的運動帶動汽車車輪運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生有效完整的新系統(tǒng),20,如果需要得到有選擇的最大作用狀態(tài)（只需要在特定區(qū)域發(fā)生最大作用，其他區(qū)域保持最小作用狀態(tài)），

11、那么作用場的選擇可以是最大或者最小：如果場的作用是最大，那么需要集中其作用區(qū)域，并且對其他非作用的區(qū)域引入防護物質(zhì)。 例：x射線衍射儀，將x射線集中在一條x通路上，其他地方用鉛玻璃等進行隔離保護。 如果選擇的場是最小場，則在需要最大作用的地方引入物質(zhì)，用于生成局部的強化場,21,采用物質(zhì)場模型功能分析法應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程如下： 步驟1:定義系統(tǒng)的總功能； 步驟2:進行功能分解,并確定基本功能和核心功能； 功能分解為解決問題基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，只有將總功能分解為易于實現(xiàn)的基本功能，產(chǎn)品設(shè)計才能真正成功。總功能可分解為分功能、子功能，直到分解到基本功能為止。即從根到枝再到葉的分解過程,22

12、,步驟3:建立系統(tǒng)的功能模型； 根據(jù)功能分解的結(jié)果，建立各基本功能的物質(zhì)場模型，并有機結(jié)合建立系統(tǒng)整體的功能模型。 步驟4:確定待改進功能模型； 按物質(zhì)場分析方法, triz中將功能分為四類: (1) 有效完整功能 (2) 不完整功能 (3) 非有效完整功能 (4) 有害功能。 根據(jù)功能類別，分析系統(tǒng)的功能模型，確定各基本功能模型的類型，發(fā)現(xiàn)待改進的功能模型,23,步驟5:標準解分析 altshuller等提出了76種標準解，分為如下五類： （1）不改變或僅少量改變已有系統(tǒng)：13種標準解； （2）改變已有系統(tǒng)：23種標準解； （3）系統(tǒng)傳遞：6種標準解； （4）檢查與測量：17種標準解； （5

13、）簡化與改善策略：17種標準解。 根據(jù)每一種基本功能的“物質(zhì)場”模型來尋找相適應(yīng)的標準解。 步驟6:提出新的設(shè)計概念。根據(jù)實際工程結(jié)構(gòu)，將解決問題的標準解轉(zhuǎn)化為特定的解領(lǐng)域。 步驟7:解的評價。對解領(lǐng)域進行評估，如有多個可行的解領(lǐng)域，根據(jù)進化的模式選取綜合最優(yōu)的方案,24,自行車成為了綠色環(huán)保、健康的運動，故維修自行車，讓之變得更加輕便就成為系統(tǒng)提出的問題。下面將用物質(zhì)場模型分析方法來解決這個問題。 1.定義系統(tǒng)的總功能； 此系統(tǒng)的總功能就是整體自行車系統(tǒng) 2.進行功能分解,并確定主要功能； 按照其功能的不同,整體自行車系統(tǒng)可以分為驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中執(zhí)行系統(tǒng)是其主要功

14、能,并且自行車的輕便與否也絕大部分取決于它。 3.建立系統(tǒng)的功能模型;由于執(zhí)行系統(tǒng)起主要作用,功能復(fù)雜,限于篇幅，這里只討論執(zhí)行系統(tǒng)的改善,25,1）識別元件。車輪為s1，轉(zhuǎn)軸為s2，車鏈傳動來的機械能為f。 （2）構(gòu)造模型。根據(jù)本問題所給出的三元件構(gòu)造如圖所示的物質(zhì)-場模型。對系統(tǒng)的完整性、有效性進行評價。系統(tǒng)元件不缺少，但是每個元件的運行效率沒有達到最佳。 （3）考慮解決方案,從標準解中選擇一個合適的解。在附錄b中所示的76種標準解中，發(fā)現(xiàn)第五類標準解中有引入物質(zhì)的解。因此在傳動裝置和車輪與轉(zhuǎn)軸直接都添加潤滑油，減少其摩擦損耗，從而達到提高自行車輕便度的目標，其物場轉(zhuǎn)化模型圖見下圖,26,其中車輪為s1，轉(zhuǎn)軸為s2，車鏈傳動來的機械能為f，潤滑劑為s3。系統(tǒng)原為效應(yīng)不足的系統(tǒng)，經(jīng)過潤滑劑的添加，使場的作用更好的進行傳導(dǎo)，從而使效應(yīng)增強，得到有效完整的系統(tǒng)。 標準解中的第三類標準解介紹的傳遞到雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)的解也可以運用其中。如現(xiàn)實出現(xiàn)的檔速可調(diào)自行車，通過將運動系統(tǒng)的單系統(tǒng)變?yōu)楹羞\動系統(tǒng)和傳遞調(diào)檔功能系統(tǒng)的雙系統(tǒng)，從而達到改善其行使?fàn)顩r的目的,27,4.進一步發(fā)展這個概念,以支持所得解決方案。 在實際的現(xiàn)實使用中,人們可以