理論的門鎖發展分析

文/東北大學機械工程與自動化學院 彭懷志 崔盛蘭 趙新軍

圖1 觿

1 引言

隨著科技與文化的發展，門鎖的分類也在不斷的演變中變得更加多樣，不同的場合對門鎖的形式與安全性要求也各有不同，不過門鎖還是大多數應用于家庭場所或公共場所，以保證個人財產或公共財產的安全。隨著生活品質水平的逐步提高，市場對門鎖的使用需求也不斷增多，不同種類的新型門鎖也在逐漸走入人們的視野中。本文基于TRIZ理論分析門鎖的發展與演變，進而預測未來門鎖的發展趨勢，為該類產品的設計生產貢獻有價值的建議。

圖2 木鎖

2 門鎖的發展與演變

2.1 觿

最早的時候，人們利用繩索把門牢牢捆縛，最后在開啟處打上特殊的繩結，這就是最早的鎖具雛形。這種緊緊捆死的繩結，只能用一個用獸牙或獸骨制成叫“觿（xī）”的工具才能挑開，“觿”就是最早的鑰匙。（見圖1）

2.2 木鎖

具有實用性的第一代的門鎖是竹、木結構的鎖，即常說的門閂。據傳，春秋戰國初魯國人魯班改革了這種木制鎖，裝置了機關，在門的木栓上鉆一個圓孔，內裝上下兩根圓木棍，圓孔和門正面所能看見的“一”字開口子相遇，開門或鎖門，是用“山”字形鑰匙通過“一”字開口子撥落門閂，使鎖的保密性提高了一大步。早期木質鎖由于結構簡單、形體笨重，容易開啟，現在在城市基本上絕跡，在農村也只有那些遺留下來的舊房子，深宅大院的雙開木門才有這種木門鎖。它是由木匠制作木門時，根據各家各戶的木門特別制作的。也可以說它是木制的機關，因此。有人把它稱之為木鎖。（見圖2）

2.3 銅鎖

圖3 銅鎖

銅鎖發展于漢代，昌盛于明清。在銅鎖發展的歷史當中，每一個朝代均有不同的銅鎖。銅鎖具有代表性的是西周的青銅鎖、漢代的三簧鎖，唐代的蝦尾銀鎖和宋代的方身鎖、明代的三色鎖，清代的長命鎖，都是那個時代銅鎖的代表作。（見圖3）

2.4 彈子鎖

彈子鎖，亦稱彈珠鎖、珠鎖、鎖簧鎖或銷栓鎖，是現代常見的鎖具結構。原理是使用多個不同高度的圓柱形零件（稱為鎖簧、彈子或珠），鎖住鎖芯。當放入合適的鑰匙，各鎖簧被推至相同的高度，鎖芯便被擰開。（見圖4）

圖4 彈子鎖

2.5 IC門卡鎖

IC門卡鎖目前很流行，因為其被加密后很難再復制，IC卡門鎖主要由五部分組成：前臺管理電腦，IC卡，IC讀卡器，門鎖，控制器。門鎖本身由控制機構和機械執行機構組成。控制機構是一個獨立的單片機系統，可以由功能卡或者控制器隨時對其編程。正常工作時，讀取插入的IC卡內信息并進行辨識，控制門鎖。如通過校驗則控制鎖芯內的微電機執行開鎖操作。機械部分由鎖芯，外鎖體，內鎖體組成。鎖芯包括鎖舌與保險舌以及一系列機械結構，其中嵌入微電機。外鎖體包括把手，離合機構，IC讀寫器，電氣控制板以及指示燈等。

2.6 智能密碼鎖

智能密碼鎖具有操作快、修改密碼比較簡單隨意、只需輸入0—9數字即可開鎖等優點。隨著技術的完善智能密碼鎖的價格在不斷下降，質量也在不斷提升，智能密碼鎖以51系列單片機(AT89051)為核心，配以相應硬件電路，完成密碼的設置、存貯、識別和顯示、驅動電磁執行器并檢測其驅動電流值、接收傳感器送來的報警信號、發送數據等功能。

圖5 智能密碼鎖

2.7 生物識別鎖

近年來，電子技術的進步促使門鎖進化與革新，各種生物識別鎖也隨之出現，其原理是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等手段結合人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態等）來進行個人身份的鑒定。

從上述門鎖的發展歷程中可以看出，門鎖在形態、材料、原理等方面都在進行不斷的完善與改進，每一次門鎖的進化，其制造工藝都在不斷的提升，制造精度更高，門鎖作為家庭或公共環境的第一道衛士，其用戶安全性、識別性、管理性用戶操作的簡便性與使用者的信任度都不斷提升。

自2014年起，智能家居的概念開始走向成熟，智能門鎖也漸漸被更多人所接受，它解決了傳統門鎖忘帶、丟失鑰匙等行為給用戶帶來煩惱，智能門鎖通過指紋、密碼等方式開鎖，避免了攜帶鑰匙的麻煩，還因其具備遠程開門、臨時密碼等智能化操作，為用戶提供更加便捷的家庭管理手段，因此成為用戶在門鎖選擇上的更優選項。

圖6 面部特征識別系統示意圖

三、基于TRIZ理論的門鎖的發展

3.1 門鎖發展中所蘊含的TRIZ原理

門鎖發展至今，材料、形態和功能原理上都發生了巨大的變化，其發展規律也是有跡可循的。TRIZ理論中提到，任何產品的發展與創新都有其規律性。門鎖主要可以分為兩部分，一部份為門鎖的鑰匙，一部份為鎖題本身。從這兩者都可以看到TRIZ理論的應用。

目前應用最廣泛的彈子鎖，最初的鑰匙普遍為月牙形單排鑰匙。為了提升門鎖的安全性，應用了TRIZ的重疊放置原理，將彈子的牙花從單排變成了雙排，分別有兩組彈子進行開鎖。除了彈子鎖以外，酒店和公司中經常使用的IC門卡也是門鎖中的一大分支。利用事先專業原理，事前存進門卡中的信息便可以進行開鎖的操作。然而無論卡片還是傳統的鑰匙，通常都需要對其進行保管，大多數的酒店將門卡同時設置為房間的取電開關，這里應用了相關協調原理，既能給門卡一個固定的放置位置，還可以節約酒店的用電，一舉兩得。指紋門鎖中，一般指紋的識別區域都放置在把手上，當用戶握住把手做開門的動作時，拇指輕輕按壓即可識別，這里應用了動作連續性原則，通過分析用戶的行為動作，對指紋的識別區域進行設計，有效的節省了過度的開鎖動作，整體行為更加自然與易懂。縱觀門鎖的設計，其中執行機構仍然為機械結構，進行了較大改動的為門鎖的識別機構和傳動機構。大部分門鎖都是通過提高門鎖識別機構的安全性和便捷性來達到改良的目的。這與TRIZ中的局部質量原理相吻合，通過提升局部的品質來改善產品整體的體驗。

從彈子鎖向智能門鎖的轉變之中，通過系統分離原理將原來的識別系統變成了電子軟件的識別系統；利用條件分離原理將傳統的鑰匙變成了門卡，使其更具有普遍性，從而滿足更為廣泛的使用。

3.2 技術系統進化在門鎖發展的應用。

技術進化路線和技術進化法則是當前TRIZ 研究的一個熱點。根里奇?阿奇舒勒總結的 8 個技術系統基本進化法則分別是：（1）完備性法則；（2）能量傳遞法則；（3）動態性進化法則；（4）提高理想度法則；（5）子系統不均衡進化法則；（6）技術系統向超系統進化法則；（7） 向微觀級進化法則；（8）協調性進化法則。每條法則之下又有若干條分支技術進化路線。門鎖的發展也與技術系統進化模式有著密不可分的關系，運用這些技術進化法則就可以比較準確的判斷出當前的門鎖處于技術進化的階段，然后基于進化法則和技術進化路線對產品的未來發展方向進行預測，根據預測結果定位產品技術發展和產品設計的方向。

圖7 虹膜識別系統

在材料的選擇上，從木質鎖，到銅質門環鎖，到合金彈子鎖再到新材料的現代密碼鎖，在材料的選取與加工上，門鎖的安全性、操作性、動態性都在不斷提升；現階段智能門鎖選用的材料主要有太空鋁材料、鋅合金材料、不銹鋼材料、純銅材料以及一些新合金材料，隨著材料的不斷改良，門鎖也變得更加安全，可靠，方便，以保證技術系統的生命周期更長。目前的前沿產品如虹膜鎖（如圖7）等新型技術的運用，更是對解鎖方式加以更強的限定，包括可控性也不斷提高。其解鎖模式與方式的不斷進化，符合TRIZ理論中增加系統的動態性與可控性原則。

在結構的不斷進化過程中，從機械結構的轉動完成開鎖動作，到電子識別系統完成開鎖動作，由機械場向電磁場等高級場進行轉化，由單一的機械結構控制門鎖開合，轉化成現階段已經實現的可以通過電路，電磁鐵，聲音控制，互聯網控制門鎖的開合，符合TRIZ理論中系統的自動化程度逐漸提升的進化模式。

與此同時，最原始的鎖，可以分為鑰匙與鎖體兩部分子系統，由于鑰匙與鎖體的對應關系，早期的門鎖互開率較高，在不斷的發展中，鎖部分的識別性在不斷提升，鑰匙部分在被不斷弱化，發展到現階段的不需要鑰匙解鎖的新型門鎖。隨著門鎖不斷的改進，子系統都在進行不同程度的發展與進化。

最常用的彈子鎖已經逐漸被密碼鎖取代，解鎖的結構也由宏觀的機械結構，向更加微觀的電路轉變，更有生物技術識別，讓解鎖方式向更加微觀的原子結構演變，總體發展，從宏觀系統向微觀系統逐步轉化。

人們最理想的開鎖方式，莫過于人不用進行任何動作，由門鎖系統自主識別匹配的開鎖條件，完成整個開鎖過程，從彈子鎖到密碼鎖再到智能門鎖，整個開鎖系統在向著理想度不斷提升的方向發展。門鎖也在其悠久的優化過程中，呈現出一副更加理想化的姿態。

4 未來門鎖的發展趨勢分析

目前，國內包括機械鎖在內的整個門鎖市場規模為百億元級別，但是已安裝智能門鎖的家庭比例很低。而這一比例在韓國為80%以上，歐美很多國家也超過50%。騰訊家居《中國智能鎖消費者分析報告》顯示，智能鎖行業仍處于發展初期階段，但未來考慮購買指紋鎖的潛在用戶約占66%的比例。由此可見，智能門鎖擁有較大的發展空間。

但正如之前說提到的，門鎖的發展符合TIRZ理論中的多個技術進化模式，其由低級場向高級場轉化的同時，也帶來了一些其“進化”所導致的問題，新型門鎖的維修，更換，以及支撐門鎖運作的能源問題都值得進一步的發展與改良。

未來門鎖的發展方向大致分為以下幾點：

1. 門鎖將作為智能家居系統的一部分，與其他家居設施結合，智能家居系統結合人工智能技術，將整個家居系統轉化成APP中的交互界面（如圖8），門鎖作為保護整個智能家庭安全的第一道防護網，也將成為智能家居系統中尤為重要的一部分，APP的可移動性操作讓智能鎖的開鎖及管理變得觸手可及。與此同時智能開鎖、智能報警、智能監控等功能加以結合，有效解決開鎖、報警、監控以及發生的突發問題。

2. 取消子系統中鑰匙這一部分系統，TRIZ理論中有子系統協調性進化的法則。鑰匙作為門鎖的一個子系統，在整個門鎖的不斷改良進化中被逐漸取替，避免鑰匙丟失，遺忘等問題，現存的技術也已經實現了舍棄實體的鑰匙，以密碼、指紋、虹膜、面部識別等實現解鎖的目的，而作為門鎖的一個未來發展趨勢，技術人員也將會運用生物技術，繼續尋找高效快捷、安全且針對每個人都具有特異性的解鎖方式開發新產品。

3. 隨著時代的發展，好的產品設計更是需要注重用戶體驗，智能鎖本身的特殊性決定了門鎖的快速發展必須保證用戶的足夠的體驗，沒有足夠體驗的產品消費者會比較難接受的。

圖8 遠程遙控

4. 門鎖發展中電場等高級場的引入，也導致人的動作不能作為開鎖的單一源動力，現階段的許多電子鎖中大多運用蓄電池或可更換電池來為門鎖運作提供能源（如圖9），以應對停電等電力系統暫時短缺的問題。未來由于科技的不斷發展，新型能源也可能會運用到門鎖的動力供應上，智能門鎖在未來的續航能力也會有所提升。

圖9 電池門鎖

5 結語

門鎖的發展和演變體現了諸多TRIZ理論的應用，每個人都在追尋個人財產或公共財產的安全，因此門鎖的不斷革新與進步就顯得尤為重要。而門鎖的發展距今已有幾千年的歷史，幾千年的智慧與文化積淀，促成了現階段技術科技愈來愈完善的新型門鎖，而人們對門鎖的研究與改進也在穩步向前，并且門鎖是每一個家庭，公司，不可或缺的產品，需求度越高，產品完善的速率也越高，因此，門鎖的發展與進化將不斷伴隨著科技的發展為人們提供更加安全、舒適、方便的門禁產品。