基于TRIZ理論的臺燈發展分析

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。燈具出現后，原始人類為了進一步滿足生活需求，發明了臺燈。

臺燈在功能上區別于其它燈具（例如吊燈），主要體現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，而且還節省能源。

二、臺燈的發展歷程

根據臺燈照明原理、使用材料的變化，臺燈的發展大致可分為以下三個階段。

1.原始時代

臺燈的發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

隨著人類文明的發展，人類逐漸掌握了提取植物油、采礦等技術，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。隨著冶金技術的發展，銅、鐵、玉、陶瓷、玻璃等材料也陸續被應用在了燈體外殼上。臺燈的發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、延續和發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，油燈還存在著產生油煙的問題。只要燃燒就一定會產生油煙，這是油燈存在著的一個不可避免的沖突。根據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整遮光板的位置調節照明的方向和亮度，這就是早期的可調節開關。

圖1 長信宮燈

3.電燈時代

到了19世紀70年代，隨著第二次工業革命的到來，電能的大規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，工業革命為這一想法提供了動力。當時有一大批發明家投身于電燈的研究，終于在1879年10月21日，發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，這是照明領域的一次質的飛躍。

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別。在現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年代的現代主義時期，功能主義的臺燈風靡一時，這一時期的臺燈結構造型簡單，功能性強，適應了工業化的大批量生產（如圖3）。到了后現代時期，由于社會物質財富的積累，人們對于審美的要求提高，設計師打破了現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，因此為后現代主義的臺燈設計提供了物質基礎。

隨著物理、材料等各個領域的不斷研究和發展，臺燈的燈泡也經歷了幾次巨大的變革。愛迪生發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，熒光燈出現了。熒光燈采用了電流激發低氣壓的汞蒸汽輻射紫外線，從而使熒光粉發光的發光原理。熒光燈中的電能63%轉化成了紫外輻射，3%直接轉化成為了可見光，發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，人們發現了在半導材料的固體水晶內部，電能轉化成為了光，于是以半導體材料為光源的LED（發光二極管）燈開始興起。現在人們普遍使用的LED燈能耗僅為白熾燈10%，節能燈的25%，壽命可達到50000小時。其優質的性能使LED燈必將長期占據照明市場。除了LED燈，另外一種節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，產生磁場，進而產生電流。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生的電流直接發光。場能量的利用使無極燈兩極幾乎沒有放電損耗。但由于這項技術發展尚不成熟，所以現在尚未應用在臺燈上，以后有望進入臺燈領域。

三、基于TRIZ理論的臺燈發展分析

TRIZ理論提出產品或技術的創新都有其規律性，臺燈的發展也是遵循著相應的進化模式和創新原理。在很久以前，TRIZ理論的創始人Altshuller則通過對大量專利的分析，得出“創新所依據的科學原理往往屬于其它領域”這一重要理論。縱觀歷史，臺燈的創新主要依附于材料、能源等領域的發展。

從光源的發展上來看，臺燈光源材料的發展遵循了由宏觀系統向微觀系統進化的模式。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，材料由固態光源進化至小顆粒組成的光源。發光二極管的發明又使人們對光源的研究進入到了電子領域，從而誕生了LED燈。而技術尚未成熟，但仍在緊鑼密鼓地研究中的無極發光更是將場能量應用在光源。整個光源的發展歷程大致符合了由宏觀系統向微觀系統進化的模式（如圖5）。

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

從材料的發展上來看，材料領域的發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、改變顏色等創新原理。

從結構造型的發展上來看，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式演變成折疊式，后來又出現了可以任意方向調節的鵝頸管。現在可以隨意彎曲并保持形態的軟質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，符合了動態性的創新原理。另一個變化是臺燈的開關經歷了由拉繩到按鈕、旋鈕再到聲控、光控、觸控。開關的功能也經歷了從單純的開和關到可調節再到可無級調節的演化過程。這種演化同樣是可操控性提高的表現。它體現了TRIZ理論中的代替機械系統原理。

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

四、臺燈的發展趨勢預測

臺燈最主要的發展趨勢是在光源的改進方面。人類現在已經進入了加速發展的時期。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展的模式。

在當今市場中，LED技術發展迅速，并且在節能方面表現良好。LED燈的推廣使用可以節省大量的能源。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、技術等問題，這一技術目前還只能被應用在大型公共照明設施中。但結合TRIZ理論中從宏觀向微觀的技術進化模式來看，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，生物光源也是現在照明研究的一大熱門。據研究證實，螢火蟲等生物所發出的生物光源是世界上僅有的不產生熱的光源，具有極高的開發潛質。在材料領域，人們已經可以人工合成熒光物質。或許熒光也可以成為新一代的照明光源。

圖6

圖7

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具有發展前景的照明光源

在材料方面，臺燈的發展趨向更綠色環保和更柔性化這兩個方面。首先綠色環保是當今設計界的一大主題。廢棄物品及一些可循環利用材料紛紛出現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結構，它可以使臺燈的方向和高度更容易調節，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展。簡單的幾何造型越來越受人們的喜愛。另外現在3D打印技術已逐漸成熟，3D打印可以輕而易舉地制造出普通機器無法完成的造型。這一技術被引入到臺燈領域也是今后必然的趨勢。

從臺燈的開關類型上來看，現有的普通開關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都已趨于成熟，它們也已經不再稀奇。人們現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。所以在今后的發展中，一方面新的控制方式將會陸續出現，另一方面經典的老式開關也會不斷改進。但無論是哪種開關方式，它們最終目的都是能夠滿足用戶的需求。

臺燈的發展趨勢總結如表2所示。

五、結論

在今后的發展中，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能光源也會在未來科技發展的帶動下進入臺燈領域。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，以及增加動態性和可操控性的發展規律來看，臺燈的材料將會向彎曲性能更好、可塑性更強、更輕薄的方向發展。另外3D打印臺燈將會成為一大潮流，根據TRIZ理論復制的原理來看，3D打印技術將會是今后產品生產的新思路。開關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展。

總之，更節能、更環保、更簡潔美觀，操控性更強是今后臺燈的發展方向。 責編/劉紅偉

參考文獻

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