Уровни задач

Комментари к книге Г.Альтшуллера "Творчество как точная наука", 1979.

Попробуйте задать вопрос: "Как надо охотиться?" - и вас сразу попросят уточнить, на кого именно охотиться. Микробы, комары, киты - живые существа, на них можно охотиться. Но охота на микробов, комаров, китов - три качественно отличающихся вида охоты. Никто не изучает эти три вида охоты "вообще". В изобретательстве же долгое время изучали, творчество "вообще", а выводы по "микробным" изобретениям распространяли на изобретения "китовые", и наоборот.

Научный подход к изучению изобретательского творчества начинается с понимания простой истины: задачи бывают разные, нельзя изучать их "вообще". Есть очень легкие задачи, их решают после нескольких попыток, и есть задачи невообразимой трудности, которые решаются в течение многих лет. Почему легки легкие задачи? Почему трудны трудные задачи? Что именно делает задачу трудной? Нельзя ли какими-то приемами преобразовать трудную задачу в легкую?..

Рассмотрим эти вопросы, но сначала уточним понятия "легкая" и "трудная" задача.

По степени трудности задачи можно разделить на пять уровней (классов). Для самых легких задач (первый уровень) характерна применение средств (устройств, способов, веществ), которые прямо предназначены именно для данной цели. Вот пример задачи первого уровня.

Задача 1

Имеется печь, в которой находится расплавленный металл. В центральную зону печи подведен трубопровод для жидкого кислорода. Что нужно сделать, чтобы кислород, идущий по этой трубе, не газифицировался вплоть до выхода в металл?

Ответ очевиден: нужна теплоизоляция, а если она уже есть, нужно ее усилить - сделать более толстой, ввести двойные стенки, использовать принудительное охлаждение и т. д. Именно так и была решена эта задача: "Устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл, выполненное в виде четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной 15-20мм" (авторское свидетельство - а.с. № 317707).

Надо бороться -с теплом - и вот введен слой теплоизоляции. Его толщина не 1,5-2 мм, этого было бы явно мало, и не 1,5-2 м, труба с таким защитным слоем просто не поместилась бы в печи, а 15-20 мм, как, следовало ожидать. Решение предельно очевидное. Многочисленные эксперименты с задачей показали, что ее с нескольких попыток решают все - научные работники, конструкторы, студенты, учащиеся ПТУ, школьники. Любопытно отметить, что а.с. .№ 317707 выдано десяти авторам ...

Это типичная задача, решенная на первом уровне; в принципе одна и та же задача может быть решена на разных уровнях.

Если "одна и та же задача может быть решена на разных уровнях", то вся последующая классификация задач по их уровням сложности не имеет никакого смысла. Получается, что тот или иной уровень сложности имеет не задача, а ее решение. Но если решение задачи заранее нам не известно, то невозможно оценить и сложность самой задачи. Возможно, что оценка категории "уровня сложности" была бы более корректной с позиции цели (посещение человеком северного полюса и марса различные по сложности цели), но развитие этой темы не входит в рамки данных комментариев.

Возможно, что предложенные автором книги признаки и принципы классификации уровня сложности изобретательских задач, могут представлять какой либо интерес, но только не научный. Поэтому оставим дальнейшие выкладки автора по этой теме без комментариев. (А.Б.)

В каждом выпуске бюллетеня "Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки" около 30% изобретений - решение подобных задач. В данном случае поиск решения практически сведен к нулю. Технология изобретательского творчества на этом уровне не нуждается в усовершенствовании.

Предположим, дана задача: "Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги "забивает" менее яркие детали (капли металла и т. д.). Как быть?" В такой формулировке задача без труда решается на первом уровне: надо осветить зону сварки лучом, более ярким, чем дуга. Теперь усложним задачу, введя дополнительные требования.

Задача 2

Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги "забивает" менее яркие детали (капли металла и .т. д.). Надо улучшить условия наблюдения без существенного усложнения аппаратуры и снижения производительности.

Новая задача сложнее поскольку придется перебрать несколько десятков вариантов. Отпадут, например, все предложения, связанные с введением дополнительных светильников для освещения зоны сварки - они значительно усложнят оборудование. Не подойдут и предложения, требующие периодического отключения дуги - они связаны со снижением производительности. Наиболее простое решение, удовлетворяющее условиям задачи, выглядит так: "Устройство для защиты глаз и лица электросварщика, содержащее корпус и рамку с встроенным в нее светофильтром, отличающееся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фокусирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зону расплавления" (а. с. № 252549).

В задачах первого уровня объект (устройство или способ) не изменяется (усилили уже имеющуюся теплоизоляцию). На втором уровне объект изменяется, но несильно (в защитное устройство дополнительно введено зеркало). На третьем уровне объект изменяется сильно, на четвертом он меняется полностью, а на пятом меняется вся техническая система, в которую входит объект.

Пример изобретения третьего уровня: "Винтовая пара, состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения трения между ними во время работы винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта" (а. с. № 154 459). Винтовая пара осталась, но она сильно изменена по сравнению с прототипом.

Примером изобретения четвертого уровня может служить новый способ контроля износа двигателя. Раньше контроль износа вели, время от времени отбирая пробы масла и определяя содержание в них металлических частиц. По а. с. № 260 249 предложено добавлять в масло люминофоры и по изменению свечения (мелкие частицы металла гасят свечение) непрерывно контролировать концентрацию частиц металла. Исходный способ изменен полностью. Использованный физический эффект менее известен, чем в предыдущем изобретении. Найденная идея шире запатентованного способа контроля износа: по гашению люминесценции можно контролировать появление металлических частиц и в других случаях.

Изобретение пятого уровня: "Применение монокристаллов сплавов медь-алюминий-никель и медь -алюминий - марганец в качестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры" (а. с. № 412 397). Вообще-то известно, что твердые тела меняют свои свойства при изменении температуры. Но веществ, которые сильно меняют свойства при небольших перепадах температур, мы знаем мало. Обнаружение или получение таких веществ - это уже нечто граничащее с открытием. Новые, вещества - преобразователи можно использовать при решении самых различных изобретательских задач (создание тепловых двигателей, различных измерительных приборов и т. д.).

Решение задачи первого уровня требует перебора нескольких очевидных вариантов. Это доступно каждому инженеру, и подобные задачи повседневно решаются без затруднений, хотя и не всегда оформляются в виде заявок на изобретения. На втором уровне число вариантов измеряется уже десятками. Перебрать 50-70 вариантов в принципе способен каждый инженер. Но все-таки здесь требуется определенное терпение, настойчивость, уверенность в возможности решения задачи. Иногда человек выдыхается после десяти попыток. Правильное решение задач третьего уровня прячется среди сотен неправильных. На четвертом уровне нужно сделать тысячи и десятки тысяч проб и ошибок, чтобы отыскать решение задачи. Наконец, на пятом уровне число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов. Можно вспомнить, например, что Эдисону пришлось поставить 50000 опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор. Речь идет только о вещественных опытах; мысленных экспериментов, всевозможных "а если сделать так?" наверняка было значительно больше.

Вот пример учебной задачи четвертого уровня.

Задача 3

Кривые стволы и сучья деревьев разрубают на щепу. Получается смесь кусков коры и щепы древесины. Как отделить куски коры от щепы древесины, если они очень мало отличаются по плотности и другим характеристикам?

По этой задаче есть множество патентов, выданных в различных странах: изобретатели упорно (и безуспешно) пытаются отделять куски коры от щепы древесины, используя ничтожную разницу в плотности. В экспериментах с этой задачей число проб иногда измерялось сотнями, однако никому не удавалось преодолеть психологические барьеры и пойти в принципиально новом и, главное, верном направлении.

Может возникнуть вопрос: если все-таки делаются изобретения высших уровней, значит, как-то удается перебрать сотни и тысячи вариантов?

Здесь стоит еще раз вернуться к уже сделанному нами комментарию о том, что для сложной изобретательской задачи человек вообще не видит ни одного варианта, не говоря уж о "сотнях и тысячах". Активно эксплуатируя это заблуждение, автор уводит читателя от истинной проблемы поиска решения сложной изобретательской задачи. Если уж и говорить о преемственности в поиске решения, то правильнее говорить о главном - это накоплении и передаче человечеством знаний, а не о второстепенном, чем является информация о "пустых" пробах, сделанных предшественниками. (А.Б.)

Тут действует очень интересный "эстафетный" механизм. Появилась задача "ценой" в 1100 000 проб. Кто-то потратил полжизни на перебор 10000 проб и не нашел решения. Задачу взялся решать другой человек, он перекопал еще какую-то часть поискового поля, и так далее. Задача приобретает репутацию неразрешимой, "вековечной". На самом же деле она постепенно упрощается и в конце концов решается. Здесь и появляются исследователи, пытающиеся выяснить, в чем секрет изобретателя, решившего вековечную" задачу. Никакого секрета нет. Неудачники, штурмовавшие задачу в начале "эстафеты", могли быть даже более способными, чем тот, кто "пробежал" последний этап. Просто им досталось слишком большое поисковое поле. В сущности, задачу решал не один человек, а целый коллектив, "кооперация современников", по определению Маркса. Для очень трудных задач необходима даже кооперация изобретателей нескольких поколений. Их усилия постепенно превращают задачу пятого уровня в сравнительно простую задачу первого уровня, кто-то делает последний рывок тем же методом проб и ошибок.

Есть другой способ, который можно назвать "задача сама ищет своего решателя". Сложная задача трудна потому, что она относится к одной области, а для ее решения нужны знания совсем из другой области. Когда в 1898 г. Крукс поставил задачу связывания атмосферного азота, о ней благодаря научному авторитету Крукса стало известно очень многим ученым. Норвежский специалист по полярным сияниям Биркеланд предложил использовать процессы, подобные происходящим в верхней атмосфере. Задача "отыскала" человека, чьи специальные знания были необходимы для ее решения.

Задачи высших уровней отличаются от задач низших уровней не только числом проб, необходимых для обнаружения решения. Существует и качественная разница. Задачи первого уровня и средства их решения находятся в пределах одной узкой специальности (задача по усовершенствованию производства древесно - стружечных плит решается методами, уже использовавшимися в этом производстве). Задачи второго уровня и средства их решения относятся к одной отрасли техники (задача о древесно - стружечных плитах решается методами, известными в деревообработке). Для задач третьего уровня решения приходится искать в других отраслях (задача в деревообработке решается методами, известными в металлообработке). Решение задач четвертого уровня надо искать не в технике, а в науке - обычно среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений. На высших подуровнях задач пятого уровня средства решения могут вообще оказаться за пределами современной науки; поэтому сначала нужно сделать открытие, а потом, опираясь на новые научные данные, решать изобретательскую задачу.

На первом и втором уровнях можно перебирать варианты, пользуясь знаниями только по всей специальности. Чем выше уровень, тем более широкие знания нужны. Коллектив хороших специалистов легко делает изобретения первого и второго уровней.

Такие изобретения совершенствуют технику. Но принципиально новые решения скорее можно ожидать от людей "со стороны".

Вот, например, а. с. № 210 662: "Индукционный электромагнитный насос, содержащий корпус, индуктор и канал, отличающийся тем, что с целью, упрощения запуска насоса индуктор выполнен скользящим вдоль оси канала насоса". Это изобретение сделано' специалистами: никакой революции, но вполне полезное улучшение. Экспертиза легко приняла новую идею - от заявки до публикации прошло 14 месяцев. А журналист А. Пресняков 14 лет добивался свидетельства (№ 247 064): "Применение электромагнитного насоса для перекачки электролитов в качестве реактивного судового двигателя". В основе этого изобретения - магнитогидравлический эффект. Идея была выдвинута, когда о магнитогидравлических двигателях, получивших теперь такую известность, никто практически не знал.

Еще один пример. Четверо слушателей общественного института изобретательского творчества взяли для дипломной работы сложнейшую задачу из области аэронавигации. Над этой задачей работали во многих странах. Трое студентов и один молодой инженер не были специалистами в данной области. Расчет строился на том, что сильное решение должно оказаться за пределами обычных идей и принципов навигационного приборостроения. Так и получилось. Нужный принцип нашелся в весьма далекой от авиации области аналитических измерений в кондитерской технике. Изобретение получило положительную оценку специалистов, было выдано авторское свидетельство.

Научно-техническая революция, требует, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Обычный путь интенсификации процесса решения состоит в увеличении числа людей, одновременно работающих над одной проблемой. Но возможности такой интенсификации почти исчерпаны: сосредоточение большого, числа людей на решении одной технической проблемы ведет к уменьшению интенсивности работы на других направлениях.

Нужен способ перевода изобретательских задач с высших уровней на низшие. Если задачу четвертого или пятого уровня удастся перевести на первый или второй уровень, далее сработает обычный перебор вариантов. Вся проблема в том, чтобы уметь быстро сужать поисковое 'поле, превращая "трудную" задачу в "легкую".

Что есть ТРИЗ?...