基于TRIZ理論的臺燈發(fā)展分析

趙子龍++趙新軍

一、引言

從人類能夠使用火開始，光便成為了人們可以駕馭的一種重要工具。它幫助人類擺脫了黑暗的束縛，對人類文明的發(fā)展意義重大。在此之后，以火為光源的照明設備逐漸完善，形成了原始的燈具。燈具出現(xiàn)后，原始人類為了進一步滿足生活需求，發(fā)明了臺燈。

臺燈在功能上區(qū)別于其它燈具（例如吊燈），主要體現(xiàn)在它是相對較小范圍的集中照明上。比如用于寫字臺或餐桌上的照明。臺燈的光亮照射范圍相對比較小和集中，因而不會影響到整個房間的光線，光照只局限在臺燈周圍。它不僅便于閱讀、學習，而且還節(jié)省能源。

二、臺燈的發(fā)展歷程

根據(jù)臺燈照明原理、使用材料的變化，臺燈的發(fā)展大致可分為以下三個階段。

1.原始時代

臺燈的發(fā)明和使用最早可追溯到公元前7萬年。那個時代，原始人類尚未掌握冶煉金屬的技能，還只能利用自然資源（例如石頭、貝殼等材料）來制作臺燈。他們將中空的石頭里放滿了苔蘚或其它植物，然后將它們浸在動物脂肪里。這就是一個簡單的“原始臺燈”。

2.油燈時代

隨著人類文明的發(fā)展，人類逐漸掌握了提取植物油、采礦等技術(shù)，原始燈具中的苔蘚、枯草、動物脂肪被效率更高的燈芯、植物油、煤油代替。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，銅、鐵、玉、陶瓷、玻璃等材料也陸續(xù)被應用在了燈體外殼上。臺燈的發(fā)展進入了長達幾千年的“油燈時代”。

作為臺燈的前身，油燈是起源較早、延續(xù)和發(fā)展時間最長的生活用品之一。但油燈燃燒存在著許多使用上的問題，例如容易被風吹滅，不宜外出攜帶。為了解決這個問題，古人便發(fā)明了燈罩。燈罩的設計不僅防止了風吹滅油燈，也防止了灰塵雜物落入燈油中，避免了衣袖、書卷觸到燈火，所以起到了防護的作用。此外，燈罩還可以集中光線，這是臺燈的另一重要特性，所以燈罩的設計一直沿用至今。除了容易被吹滅，油燈還存在著產(chǎn)生油煙的問題。只要燃燒就一定會產(chǎn)生油煙，這是油燈存在著的一個不可避免的沖突。根據(jù)TRIZ理論中解決沖突的方法來看，空間分離是一種很好的辦法。中國漢代的重要設計—長信宮燈（如圖1）就是利用空間分離中的分離（抽出）原理，利用虹吸管將燈煙吸入盛水的燈座，使之溶于水，防止了油煙擴散到空氣中。此外長信宮燈還可以通過調(diào)整遮光板的位置調(diào)節(jié)照明的方向和亮度，這就是早期的可調(diào)節(jié)開關(guān)。

圖1 長信宮燈

3.電燈時代

到了19世紀70年代，隨著第二次工業(yè)革命的到來，電能的大規(guī)模利用使人類社會進入了電氣時代。在此之前的幾十年，以電能作為光能源的思路便已逐漸興起，工業(yè)革命為這一想法提供了動力。當時有一大批發(fā)明家投身于電燈的研究，終于在1879年10月21日，發(fā)明大王愛迪生點亮了世界上第一盞具有實用價值的電燈。從此燃燒照明退出了歷史舞臺，電力照明成為了主流。人類進入電燈時代，這是照明領(lǐng)域的一次質(zhì)的飛躍。

圖2 圖3

圖4

具有不同時代風格的燈具設計

也正是那時，由燈罩、燈泡、燈座組成的臺燈造型也基本被確立。玻璃與金屬成為臺燈的主要材料。臺燈外觀的設計也開始豐富起來。受不同時期的影響，臺燈的設計風格有很大區(qū)別。在現(xiàn)代主義時期來臨之前的19世紀末，臺燈的設計大多華麗高貴，色彩豐富（如圖2）。到了20世紀20年代的現(xiàn)代主義時期，功能主義的臺燈風靡一時，這一時期的臺燈結(jié)構(gòu)造型簡單，功能性強，適應了工業(yè)化的大批量生產(chǎn)（如圖3）。到了后現(xiàn)代時期，由于社會物質(zhì)財富的積累，人們對于審美的要求提高，設計師打破了現(xiàn)代主義單一重復的思想，主張張揚個性。大量的色彩、造型開始被應用在了臺燈的設計之中（如圖4）。20世紀60年代塑料開始被大量使用，這種材料色彩豐富并且極易造型，因此為后現(xiàn)代主義的臺燈設計提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

隨著物理、材料等各個領(lǐng)域的不斷研究和發(fā)展，臺燈的燈泡也經(jīng)歷了幾次巨大的變革。愛迪生發(fā)明的燈泡屬于白熾燈，它是利用電流將燈絲加熱到白熾狀態(tài)來照明的。燈絲的材料為竹絲，1906年改用鎢絲。雖然燈絲的材料便宜耐用，但電燈中90%的電能被轉(zhuǎn)化成了沒有用的熱量，既浪費資源又降低了燈泡的壽命，而且燈光下物體顏色會有偏差。1938年，熒光燈出現(xiàn)了。熒光燈采用了電流激發(fā)低氣壓的汞蒸汽輻射紫外線，從而使熒光粉發(fā)光的發(fā)光原理。熒光燈中的電能63%轉(zhuǎn)化成了紫外輻射，3%直接轉(zhuǎn)化成為了可見光，發(fā)光效率是普通白熾燈的兩至三倍，因此取代了高能耗的白熾燈。但如果回收處理不當，廢舊的熒光燈極易造成汞污染。1962年，人們發(fā)現(xiàn)了在半導材料的固體水晶內(nèi)部，電能轉(zhuǎn)化成為了光，于是以半導體材料為光源的LED（發(fā)光二極管）燈開始興起?，F(xiàn)在人們普遍使用的LED燈能耗僅為白熾燈10%，節(jié)能燈的25%，壽命可達到50000小時。其優(yōu)質(zhì)的性能使LED燈必將長期占據(jù)照明市場。除了LED燈，另外一種節(jié)能型光源就是無極燈。無極燈是利用高頻電流通過感應線圈，產(chǎn)生磁場，進而產(chǎn)生電流。電源輸入的電流沒有直接通過無極燈。無極燈通過電磁反應產(chǎn)生的電流直接發(fā)光。場能量的利用使無極燈兩極幾乎沒有放電損耗。但由于這項技術(shù)發(fā)展尚不成熟，所以現(xiàn)在尚未應用在臺燈上，以后有望進入臺燈領(lǐng)域。

三、基于TRIZ理論的臺燈發(fā)展分析

TRIZ理論提出產(chǎn)品或技術(shù)的創(chuàng)新都有其規(guī)律性，臺燈的發(fā)展也是遵循著相應的進化模式和創(chuàng)新原理。在很久以前，TRIZ理論的創(chuàng)始人Altshuller則通過對大量專利的分析，得出“創(chuàng)新所依據(jù)的科學原理往往屬于其它領(lǐng)域”這一重要理論?？v觀歷史，臺燈的創(chuàng)新主要依附于材料、能源等領(lǐng)域的發(fā)展。

從光源的發(fā)展上來看，臺燈光源材料的發(fā)展遵循了由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進化的模式。從遠古時期，到電氣時代，臺燈的光源材料由自然資源，例如苔蘚、枯草等演變成植物油、煤油、蠟燭，到了近現(xiàn)代電力光源又取代了燃燒光源。光源由宏觀進入微觀。而后，人們研制出了由汞蒸汽、熒光粉組成的熒光燈，材料由固態(tài)光源進化至小顆粒組成的光源。發(fā)光二極管的發(fā)明又使人們對光源的研究進入到了電子領(lǐng)域，從而誕生了LED燈。而技術(shù)尚未成熟，但仍在緊鑼密鼓地研究中的無極發(fā)光更是將場能量應用在光源。整個光源的發(fā)展歷程大致符合了由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進化的模式（如圖5）。

同時，臺燈的發(fā)展過程同樣也是理想化水平提高的體現(xiàn)。正如人們現(xiàn)在所看到的，臺燈中所使用的新一代光源總是比上一代更加節(jié)能，壽命更長。最早鎢絲白熾燈工作時，僅有10%的電能轉(zhuǎn)化成了可見光。后出現(xiàn)的熒光燈發(fā)光效率可高達28%，大大降低了能耗，但依然不是很理想。而現(xiàn)在人們使用LED燈耗電量只是原來白熾燈的十分之一，并且其散發(fā)出的熱量微乎其微。

從材料的發(fā)展上來看，材料領(lǐng)域的發(fā)展對臺燈影響尤為重要。臺燈的材料由最原始的石材，逐步演化成金屬，接著發(fā)展成塑料，然后又應用了復合彈性材料。加工方式也由雕刻演變到現(xiàn)在的快速成型，可加工的自由度大幅度提升。這使得臺燈的樣式和色彩越來越豐富。它符合了TRIZ理論中的柔性殼體或薄膜、改變顏色等創(chuàng)新原理。

從結(jié)構(gòu)造型的發(fā)展上來看，臺燈主要有兩大變化：一個變化是臺燈的桿部由最早的固定不可調(diào)式演變成折疊式，后來又出現(xiàn)了可以任意方向調(diào)節(jié)的鵝頸管?，F(xiàn)在可以隨意彎曲并保持形態(tài)的軟質(zhì)材料也被大量應用到了臺燈的設計之中。這一變化過程正好符合了TRIZ理論中提到的由一個鉸接、兩個鉸接、多個鉸接，再到彈性體的技術(shù)進化模式，在這一過程中臺燈的靈活性、可操控性逐漸提高，符合了動態(tài)性的創(chuàng)新原理。另一個變化是臺燈的開關(guān)經(jīng)歷了由拉繩到按鈕、旋鈕再到聲控、光控、觸控。開關(guān)的功能也經(jīng)歷了從單純的開和關(guān)到可調(diào)節(jié)再到可無級調(diào)節(jié)的演化過程。這種演化同樣是可操控性提高的表現(xiàn)。它體現(xiàn)了TRIZ理論中的代替機械系統(tǒng)原理。

可見TRIZ理論在臺燈發(fā)展中起著重要指導作用，表1為TRIZ理論的40條發(fā)明原理在臺燈發(fā)展中的主要應用。

四、臺燈的發(fā)展趨勢預測

臺燈最主要的發(fā)展趨勢是在光源的改進方面。人類現(xiàn)在已經(jīng)進入了加速發(fā)展的時期。人們時刻提醒著自己，地球的資源是有限的。所以找尋更加節(jié)能的光源是我們的主要努力方向。這就是TRIZ理論所提到的設計向理想化發(fā)展的模式。

在當今市場中，LED技術(shù)發(fā)展迅速，并且在節(jié)能方面表現(xiàn)良好。LED燈的推廣使用可以節(jié)省大量的能源。LED臺燈將會在下一種光源成熟之前逐漸占據(jù)臺燈市場。

前面已有提到的無極燈被稱為21世紀最有前景的綠色節(jié)能照明光源。場能量的利用使無極燈兩極幾乎沒有放電損耗。雖然由于成本、技術(shù)等問題，這一技術(shù)目前還只能被應用在大型公共照明設施中。但結(jié)合TRIZ理論中從宏觀向微觀的技術(shù)進化模式來看，無極燈被應用在臺燈中在未來也不是不可能的。

除了上述兩種光源，生物光源也是現(xiàn)在照明研究的一大熱門。據(jù)研究證實，螢火蟲等生物所發(fā)出的生物光源是世界上僅有的不產(chǎn)生熱的光源，具有極高的開發(fā)潛質(zhì)。在材料領(lǐng)域，人們已經(jīng)可以人工合成熒光物質(zhì)?；蛟S熒光也可以成為新一代的照明光源。

圖6

圖7

圖8

具有發(fā)展前景的照明光源

在材料方面，臺燈的發(fā)展趨向更綠色環(huán)保和更柔性化這兩個方面。首先綠色環(huán)保是當今設計界的一大主題。廢棄物品及一些可循環(huán)利用材料紛紛出現(xiàn)在了一些臺燈的設計之中（如圖9、圖10）。這種資源的重復利用符合了TRIZ理論變害為利的發(fā)明原理。除此之外，一些彈性、柔性更好的新合成材料（例如硅膠、硅樹脂等）逐漸被應用到臺燈設計中。這類新材料可以隨意扭曲和固定，不易損壞，新型臺燈用柔性殼體代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可以使臺燈的方向和高度更容易調(diào)節(jié)，使臺燈有更強的可操控性。

圖9

圖10

圖11

新型材料的臺燈設計

從造型方面來看，臺燈的設計逐漸由繁復向簡約發(fā)展。簡單的幾何造型越來越受人們的喜愛。另外現(xiàn)在3D打印技術(shù)已逐漸成熟，3D打印可以輕而易舉地制造出普通機器無法完成的造型。這一技術(shù)被引入到臺燈領(lǐng)域也是今后必然的趨勢。

從臺燈的開關(guān)類型上來看，現(xiàn)有的普通開關(guān)已基本滿足了用戶的需求。觸控、聲控、溫控以及紅外感應等技術(shù)都已趨于成熟，它們也已經(jīng)不再稀奇。人們現(xiàn)在普遍倡導情緒化設計。在臺燈的用戶中，一部分人喜歡嘗試新科技的新鮮感，另一部分人則喜歡一個按鈕的簡約自然。所以在今后的發(fā)展中，一方面新的控制方式將會陸續(xù)出現(xiàn)，另一方面經(jīng)典的老式開關(guān)也會不斷改進。但無論是哪種開關(guān)方式，它們最終目的都是能夠滿足用戶的需求。

臺燈的發(fā)展趨勢總結(jié)如表2所示。

五、結(jié)論

在今后的發(fā)展中，臺燈的光源會不斷改進，能耗會不斷降低。在未來的幾年里，LED將會是臺燈光源的主要選擇。無極燈、熒光光源燈等新型綠色節(jié)能光源也會在未來科技發(fā)展的帶動下進入臺燈領(lǐng)域。在國家大力倡導下，在人們加深對資源問題認識的條件下，這些綠色節(jié)能光源必將成為人們的首選。

依照TRIZ理論的柔性殼體或薄膜原理，以及增加動態(tài)性和可操控性的發(fā)展規(guī)律來看，臺燈的材料將會向彎曲性能更好、可塑性更強、更輕薄的方向發(fā)展。另外3D打印臺燈將會成為一大潮流，根據(jù)TRIZ理論復制的原理來看，3D打印技術(shù)將會是今后產(chǎn)品生產(chǎn)的新思路。開關(guān)的形式可能會隨著今后的流行趨勢以及用戶的需求不斷變化，但總體來看是朝著更適宜操控的方向發(fā)展。

總之，更節(jié)能、更環(huán)保、更簡潔美觀，操控性更強是今后臺燈的發(fā)展方向。 責編/劉紅偉

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