錦囊妙計（下）
——技術(shù)矛盾與40個發(fā)明原理

顏惠庚 李 弘

（常州市技術(shù)創(chuàng)新方法研究會，江蘇 常州 213031）

4 40 個發(fā)明原理

40 個發(fā)明原理是TRIZ 九大經(jīng)典理論之一。如果說門捷列夫的元素周期表使人類對物質(zhì)世界的認識從混沌走向光明，那么阿奇舒勒的40 個發(fā)明原理則從根本上揭示了技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)在規(guī)律，使發(fā)明創(chuàng)造從神秘走向科學，它是工業(yè)文明時代的孫子兵法。

4.1 40 個發(fā)明原理的由來

阿奇舒勒及其助手在對海量專利進行分析研究的過程中獲得了一個重要發(fā)現(xiàn)：在以往不同領(lǐng)域的發(fā)明和創(chuàng)新中所用到的原理與方法并不多，不同時代和不同領(lǐng)域發(fā)明的應(yīng)用原理與方法被反復利用。

阿奇舒勒認為，大約只有20%左右的專利才稱得上是真正的創(chuàng)新（首創(chuàng)），許多宣稱為專利的技術(shù)其實早已經(jīng)在其他的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中出現(xiàn)并被應(yīng)用過。他的研究人員對從200 萬份專利中精選出來的40 萬多份世界頂級專利進行了研究、分析與歸納，并從中提煉TRIZ 中最重要的且具有普遍用途的發(fā)明原理（圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這些專利可以歸納為用40 個原理解決了39 個參數(shù)中某兩個參數(shù)之間的矛盾。由這個結(jié)果可以得出一個結(jié)論：解決技術(shù)發(fā)明（創(chuàng)新）問題所使用的發(fā)明原理是有限的，只有40 個。換句話說就是，可以用有限的原理來解決無限的問題。

圖1 TRIZ 理論來源于專利研究

表1 40 個發(fā)明原理

一句話總結(jié)：掌握了40 個發(fā)明原理，也就掌握了打開創(chuàng)新大門的鑰匙。

4.2 40 個發(fā)明原理詳解

(1) 發(fā)明原理1：分割原理（Segmentation）

分割原理是指以虛擬或真實的方式將一個系統(tǒng)分成多個部分，以便分解（分開、分隔、抽取）或合并（結(jié)合、集成、聯(lián)合）一種有益的或有害的系統(tǒng)屬性（圖2、圖3）。分割原理體現(xiàn)在三個方面：

圖2 智力拼盤

圖3 百葉窗簾

① 將一個物體分割為相互獨立的幾個部分；

② 使一個物體分為容易組裝和拆卸的部分；

③ 增加物體被分割的程度，以實現(xiàn)系統(tǒng)的改造。

(2) 發(fā)明原理2： 抽取原理（Extraction，sepration，removal）

抽取原理是指從整體中分離出有用（或有害）的部分（或?qū)傩裕卧僮髦械倪^濾、精餾與萃取都屬于抽取原理（圖4、圖5）。抽取原理體現(xiàn)在兩個方面：

圖4 篩子

圖5 血糖監(jiān)測儀

① 將物體的“負面”的部分或特征抽取出來；

② 從物體中抽取必要的部分或特性。

(3) 發(fā)明原理3：局部質(zhì)量原理（Local Quality）

局部質(zhì)量原理是指在一個對象中，特殊（或特定）的部分應(yīng)該具有相應(yīng)的功能或條件，能夠最好地適應(yīng)其所在的環(huán)境，或更好地滿足特定的要求（圖6、圖7）。局部質(zhì)量原理可以體現(xiàn)在三個方面：

圖6 火鍋勺

圖7 二用橡皮

① 將物體、環(huán)境或外部作用的均勻結(jié)構(gòu)變?yōu)椴痪鶆虻模?/p>

② 讓物體的不同部分具有不同功能；

③ 使物體的各部分處于各自動作的最佳狀態(tài)。

(4) 發(fā)明原理4：增加不對稱性原理（Asymmetry）

增加不對稱性原理涉及從“各向同性”向“各向異性”的轉(zhuǎn)換，或是與之相反的過程。各向同性是指無論在對象的哪個部位，沿哪個方向?qū)δ硞€屬性進行測量，結(jié)果都是對稱的；而各向異性就是指不對稱，即對象的不同部位或沿不同的方向?qū)δ硞€屬性進行測量，測量結(jié)果是不同的（圖8、圖9）。增加不對稱性原理具體體現(xiàn)在兩個方面：

圖8 不對稱雨傘

圖9 不對稱服裝

① 將原來對稱的物體變?yōu)椴粚ΨQ；

② 增加不對稱物體的不對稱程度。

(5) 發(fā)明原理5：組合原理（Combining，integration，merging）

為了提高效率或改善性能，可以將相同的物體或相類似的操作進行組合（圖10、圖11）。組合原理體現(xiàn)在兩個方面：

圖10 一體機

圖11 情侶傘

① 在空間上，將相同的物體或相關(guān)操作加以組合；

② 在時間上，將相同或相關(guān)的操作進行合并。

需要指出的是，現(xiàn)在很多的新發(fā)明都是利用了組合原理。例如：毯子+電熱絲→電熱毯，蚊香+電加熱→電蚊香等。

(6) 發(fā)明原理6：多用性原理（Universality，multi-functionality）

多用性或通用性是指將不同功能或非相鄰的操作合并，使一個對象具備多項功能，從而消除了這些功能在其他對象內(nèi)存在的必要性，使對象具備多用性，因而可產(chǎn)生在其他情況下不存在的機會及協(xié)力優(yōu)勢（圖12）。多用性原理體現(xiàn)在兩個方面：

圖12 瑞士軍刀

① 使一個物體具備多項功能；

② 消除了該功能在其他物體內(nèi)存在的必要性后，進而裁減其他物體。

(7) 發(fā)明原理7：嵌套原理（Nesting）

嵌套原理是指通過遞歸的方法將一個對象放入另一個對象的內(nèi)部，或讓一個對象通過另一個對象的空腔而實現(xiàn)嵌套，即對象間彼此吻合、彼此組合、內(nèi)部配合的性質(zhì)（圖13、圖14）。

圖13 俄羅斯套娃

圖14 超市推車

(8) 發(fā)明原理8：重量補償原理（Counterweight，levitation）

重量補償原理是指通過一個相反的平衡力（浮力、彈性力或其他類似的力）來阻礙（或抵消）一個不良（或不希望有）的力（圖15、圖16）。重量補償原理體現(xiàn)在以下兩個方面：

圖15 潛水艇原理

圖16 塔吊的平衡重

① 將某一物體與另一能提供上升力的物體組合，以補償其重量；

② 通過環(huán)境中空氣動力、流體動力或其他力的相互作用，實現(xiàn)物體的重量補償。

(9) 發(fā)明原理9：預先反作用原理（Preliminary anti-action，prior counteraction）

預先反作用原理是指根據(jù)可能出現(xiàn)的問題，提前采取行動來消除問題、降低問題的危害或防止問題的出現(xiàn)（圖17、圖18）。預先反作用原理體現(xiàn)在兩個方面：

圖17 汽車彈簧

圖18 夾子

① 事先施加機械應(yīng)力，以抵消工作狀態(tài)下不期望的過大應(yīng)力；

② 如果問題定義中需要某種相互作用，就需要事先施加反作用。

(10) 發(fā)明原理10：預先作用原理（Prior action）

預先作用原理是指在實施某種作用之前，預先執(zhí)行該作用的全部或一部分（圖19、圖20）。預先作用原理體現(xiàn)在兩個方面：

圖19 郵票

圖20 自帶封口包裝袋

① 預先對物體全部或部分施加必要的改變；

② 在最方便的位置預先安置物體，使其在第一時間發(fā)揮作用，從而避免時間的浪費。

(11) 發(fā)明原理11：事先防范原理（Cushion in advance，compensate before）

對可能發(fā)生的事情預置防范措施，以防止或降低危險的發(fā)生（圖21、圖22）。

圖21 救生衣

圖22 消防噴淋系統(tǒng)

(12) 發(fā)明原理12：等勢原理（Equipotentiality）

改變工作條件，使物體上升或下降。等勢原理與三個主要概念有關(guān)，可單獨使用，也可合并使用（圖23）。等勢原理具體體現(xiàn)在三個方面：

圖23 用空氣托起硅單晶晶圓片進行擴散，防止接觸污染

① 在系統(tǒng)或程序內(nèi)所有的通過點，建立在同一個勢能狀態(tài)下已達成系統(tǒng)效益；

② 在系統(tǒng)內(nèi)部建立相關(guān)性，使系統(tǒng)可以支持等勢狀態(tài)；

③ 建立連續(xù)與完全相連接的結(jié)合與關(guān)系。

(13) 發(fā)明原理13：反向作用原理（Inversion，the other way around）

這是TRIZ 最重要的原理之一：逆向思維。假如某事物以某特定方式構(gòu)成或作用，嘗試通過相反的方式構(gòu)成或執(zhí)行操作，以避免伴隨的問題（圖24、圖25）。具體體現(xiàn)為三個方面：

圖24 跑步機

圖25 司馬光砸缸

① 用相反的動作替代要求指定的動作；

② 讓物體可動部分不動，不動部分可動；

③ 將物體（或過程）上下或內(nèi)外顛倒。

(14) 發(fā)明原理14：曲面化原理（Spheroidality，curvilinearity）

使用彎曲或曲面的元件取代線性的元件，使用轉(zhuǎn)動取代直線運動，使用滾輪、球或螺線（圖26、圖27）。具體體現(xiàn)在三個方面：

圖26 盤山公路

圖27 立交橋

① 從直線部分過渡到曲線部分，從平面過渡到球面，從正六面體或平行六面體過渡到球形結(jié)構(gòu)；

② 使用柱狀、球體、螺旋狀等物體；

③ 從直線運動過渡到旋轉(zhuǎn)運動，利用離心力。

(15) 發(fā)明原理15：動態(tài)特性原理（Dynamicity，optimization）

使系統(tǒng)的狀態(tài)或特性變成短暫、臨時、可移動、可調(diào)整、具有彈性或可變化的（圖28），具體體現(xiàn)為三個方面：

圖28 月球全地形車

① 物體（或外部介質(zhì)）的特性變化應(yīng)當在每一工作階段都是最佳，即自動調(diào)節(jié)物體，使其在各動作與各階段的性能最佳；

② 將物體分成彼此相對移動的幾個部分；

③ 使不動的物體成為可動的。

(16) 發(fā)明原理16：不足或過度的作用原理（Partial or excessive action）

如果難于取得百分之百所要求的功效，則應(yīng)當取得略小或略大的功效，此時可能把問題大幅度簡化。

例如：印刷時噴過多的油墨，去掉多余的會使字跡更清晰。此外，在孔中填充過多的石膏，然后打磨平滑；用針管抽取液體時，不能吸入準確的計量，而是先多吸再把多余的液體排出，這樣可以簡化操作難度。這些都是此原理應(yīng)用的典型案例。

(17) 發(fā)明原理17：空間維數(shù)變化原理（Moving to a new dimension）

此原理也叫一維變多維原理，改變線性系統(tǒng)的方位，使其從垂直變成水平、水平變成對角線或垂直等（圖29、圖30）。具體體現(xiàn)為五個方面：

圖29 立交橋

圖30 立體車庫

① 如果物體作線性運動（或分布）有困難，則使物體在二維度即平面上移動；相應(yīng)地，在一個平面上的運動（或分布）可以過渡到三維空間；

② 利用多層結(jié)構(gòu)替代單層結(jié)構(gòu)；

③ 將物體傾斜或側(cè)置；

④ 用指定面的反面；

⑤ 利用投向相鄰面或反面的光流。

(18) 發(fā)明原理18：機械振動原理（Mechanical vibration，mechanical oscillation）

對于一個方法使用振動或周期性震蕩，使它變成規(guī)則與周期性的變化（圖31）。具體體現(xiàn)為五個方面：

圖31 電動平板混凝土振動器

① 使物體振動；

② 如果已在振動，則提高其振動頻率直至達到超聲波頻率；

③ 利用共振頻率；

④ 用壓電振動器替代機械振動器；

⑤ 利用超聲波振動和電磁場耦合。

(19) 發(fā)明原理19：周期性作用原理（Periodic action）

改變施行作用的方式，可以達到所要的效果（圖32、圖33）。具體體現(xiàn)為三個方面：

圖32 警車燈

圖33 紅綠燈

① 從連續(xù)作用過渡到周期作用（脈沖）；

② 如果作用已經(jīng)是周期的，則改變運動頻率；

③ 利用脈沖的間歇完成其他作用。

(20) 發(fā)明原理20：有效作用的連續(xù)性原理（Continuity of a useful action）

建立連續(xù)性的作用或移除所有停滯、間接的運動以增進效率（圖34、圖35）。具體體現(xiàn)在兩個方面：

圖34 菜刀往復運動剁肉餡

圖35 絞肉機刀片連續(xù)旋轉(zhuǎn)切肉餡

① 物體的所有部分一直滿負荷工作；

② 消除空轉(zhuǎn)和間歇運轉(zhuǎn)。

例如：用計算機硬盤（旋轉(zhuǎn)運動）代替磁帶（往復運動）進行數(shù)據(jù)存儲。

(21) 發(fā)明原理21：減少有害作用的時間原理（Rushing through）

若某事物在一個給定速度下出現(xiàn)問題，則使其速度加快，即快速執(zhí)行一個危險或有害的作業(yè)，以消除或減少有害的副作用。

例如：無針注射器。此類注射器沒有傳統(tǒng)注射器的針頭，它是將藥物先儲藏在一個出藥倉內(nèi)，再通過其內(nèi)部的機械裝置產(chǎn)生高速、高壓藥物流將藥物直接壓入人的皮膚內(nèi)。由于注射器注射速度極快，因此不會損壞皮下組織和血管，且有減痛的效果。

再如，快速切割塑料管以免其變形；牙醫(yī)使用高速電鉆，避免燙傷病人口腔組織；照相機的閃光燈等都是此原理應(yīng)用的典型案例。

(22) 發(fā)明原理22：變害為利原理（Convert harm into benefit）

有害作用已經(jīng)存在，尋找各種方式從中取得有用的價值。具體體現(xiàn)為三個方面：

① 利用有害因素尤其是對環(huán)境有害的影響獲得有益的效果；

② 使用另一個有害的作用來中和，以此消除物體所存在的有害作用；

③ 加大一種有害因素的程度，使其不再有害。

例如：垃圾發(fā)電、各類疫苗、從蛇毒中提煉抗毒血清、發(fā)電廠用爐灰的堿性中和廢水的酸性、在潛水中使用氮氧混合氣等都是變害為利原理的典型應(yīng)用。

(23) 發(fā)明原理23：反饋原理（Feedback）

將一種系統(tǒng)的輸出作為輸入返回到系統(tǒng)中，以便增強對輸出的控制（圖36、圖37）。具體體現(xiàn)在兩個方面：

圖36 感應(yīng)式水龍頭

圖37 無線遠程城市照明管理系統(tǒng)

① 通過引入反饋來改善系統(tǒng)性能；

② 如果系統(tǒng)已經(jīng)引入了反饋，則改變其大小或作用。

(24) 發(fā)明原理24：借助中介物原理（Mediator，intermediary）

利用某種可輕松去除的中間載體、阻擋物或過程，在不相容的部分、功能、事件或情況之間通過調(diào)解或協(xié)調(diào)而建立的一種臨時鏈接（圖38）。具體體現(xiàn)在兩個方面：

圖38 餐廳服務(wù)生用托盤傳菜

① 使用中介物實現(xiàn)所需動作；

② 把一物體與另一極易去除（或分開）的物體暫時結(jié)合。

(25) 發(fā)明原理25：自服務(wù)原理（Self-service，self-orgnization）

在執(zhí)行主要功能（或操作）的同時，以協(xié)同或并行的方式執(zhí)行相關(guān)功能（或操作）。具體體現(xiàn)在兩個方面：

① 物體通過自補充或自恢復功能而服務(wù)于自身。

② 利用廢棄的資源、能量或物資。

例如：殺毒軟件病毒庫自動更新、自動提款機、自攻螺絲、自補水飲水機、利用排氣管的廢氣來充氣的充氣式千斤頂?shù)榷际墙柚薪槲镌淼牡湫蛻?yīng)用。

(26) 發(fā)明原理26：復制原理（Copying）

利用一個拷貝、復制品或模型來代替因成本過高而不能使用的事物。具體體現(xiàn)在三個方面：

① 使用更簡單、更便宜的復制品代替難以獲得、昂貴、復雜或易碎的物體；

② 用光學復制品或圖形來代替實物；

③ 如果已使用可見光復制品，進一步擴展到紅外線或紫外線復制品。

例如：拍電影時搭建的場景、仿真玩具、航天器模擬駕駛儀、計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）等。

(27) 發(fā)明原理27：廉價替代品原理（Cheap，disposable objects）

此原理也稱“一次性用品”，用廉價的物品代替一個昂貴的物品，在如使用壽命等某些質(zhì)量特性上做出妥協(xié)。

例如：一次性紙杯、紙尿褲、眼鏡、醫(yī)療口罩、注射器等，還有輕便雨衣、酒店里使用的一次性洗漱與清潔用品等都是廉價替代品原理的典型應(yīng)用。

(28) 發(fā)明原理28：機械系統(tǒng)替代原理（Replacement of a mechanical system with “fields”）

利用物理場或者其他的形式、作用和狀態(tài)來代替機械的相互作用、裝置、機構(gòu)及系統(tǒng)（圖39、圖40）。具體體現(xiàn)在四個方面：

圖39 磁懸浮列車

圖40 指紋鎖

① 用光學系統(tǒng)、聲學系統(tǒng)、電磁學系統(tǒng)或影響人類感覺的系統(tǒng)來代替機械系統(tǒng)；

② 采用物體相互作用的電場或電磁場；

③ 場的替代從恒定場到可變場，從定時場到隨時間變化的場，從隨機場到有組織的場；

④ 將場和鐵磁離子組合使用。

(29) 發(fā)明原理29：氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理（Pneumatics or hydraulics）

運用空氣或液壓技術(shù)來替代普通系統(tǒng)元件或功能，即使用氣體或液體代替物體的固體零部件，這些零部件可使用氣體、水的膨脹，或空氣、液體靜壓緩沖的功能。

例如：汽車的安全氣囊、液壓千斤頂、氣墊船等。

圖41 氣墊船

(30) 發(fā)明原理30：柔性殼體或薄膜原理（Flexible membranes or thin film）

將傳統(tǒng)構(gòu)造替換為薄膜或柔性殼體。具體體現(xiàn)在兩個方面：

① 使用柔性外殼和薄膜替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

② 用柔性外殼和薄膜把對象和外部環(huán)境隔開。

例如：鞋底的軟墊、茶葉袋、塑膠手套、使用PE 塑膠來包裝水果、充氣兒童城堡、用薄膜分隔載不同液體的油罐車、防止灰塵的戶外燈罩、蚊帳等都是柔性殼體或薄膜原理的典型應(yīng)用。

(31) 發(fā)明原理31：多孔材料原理（Use of porous materials）

通過在材料或?qū)ο笾写蚩住㈤_空腔或通道來增強其多孔性，從而改變某種氣體、液體或固體的形態(tài)（圖42、圖43）。具體體現(xiàn)在兩個方面：

圖42 孔木吸音板

圖43 泡沫塑料板

① 使物體變得多孔或加入多孔物體，如多孔嵌入物或覆蓋物；

② 如果物體是多孔結(jié)構(gòu)，在小孔中事先填入某種物質(zhì)。

(32) 發(fā)明原理32：顏色改變原理（Changing color or optical properties）

改變對象或系統(tǒng)的顏色，以便提升系統(tǒng)價值或解決檢測問題（圖44、圖45）。具體體現(xiàn)在四個方面：

圖44 溫感變色兒童勺

圖45 透明公廁

① 改變物體或環(huán)境的顏色；

② 改變物體或環(huán)境的透明度；

③ 采用有顏色的添加物，使不易被觀察到的對象或過程被觀察到；

④ 如果已經(jīng)添加了顏色，則考慮增強發(fā)光追蹤或原子標記。

(33) 發(fā)明原理33：同質(zhì)性原理（Homogeneity）

若兩個、多個對象或者兩種、多種物質(zhì)彼此相互作用，則其應(yīng)包括相同的材料、能量或信息（圖46、圖47）。

圖46 面包碗

圖47 食用色素

(34) 發(fā)明原理34：拋棄與再生原理（Rejection and regeneration，discarding and recovering）

拋棄或再生原來事實上是兩條，后來合二為一。拋棄是從系統(tǒng)中去除某事物。再生是將某事物恢復到系統(tǒng)中進行再利用。具體體現(xiàn)在兩個方面：

① 當物體中的某個元素完成其功能或變得不再有用時，可采用溶解或蒸發(fā)等手段來消除，或在系統(tǒng)運行過程中予以改變；

② 在工作過程中補充被消耗的部分。

例如：太空“水（尿液）回收系統(tǒng)”、可回收垃圾、可降解的垃圾袋、可再生能源與廢熱發(fā)電技術(shù)等。

在此原理中，時間是很重要的，一旦完成某種功能，立刻從系統(tǒng)中將它移除，或者立刻將其回復以便再度使用。

(35) 發(fā)明原理35：物理或化學參數(shù)改變原理（Transformation of the physical and chemical states of an object，parameter change，changing properties）

改變一個對象或系統(tǒng)的屬性，以提供一種有用的益處（圖48、圖49）。具體體現(xiàn)在四個方面：

圖48 不銹鋼

圖49 液化石油氣

① 改變對象或系統(tǒng)的物理狀態(tài)；

② 改變濃度或密度；

③ 改變?nèi)嵝裕?/p>

④ 改變溫度或體積。

(36) 發(fā)明原理36：相變原理（Phase tranformation）

利用一種材料或情況的相變，來實現(xiàn)某種效應(yīng)或產(chǎn)生某種系統(tǒng)改變。

例如：冰箱與空調(diào)制冷、金屬熱處理、氣體液化存儲與太陽能發(fā)電等都是利用了相變原理。

(37) 發(fā)明原理37：熱膨脹原理（Thermal expansion）

利用對象受熱膨脹的基本原理來產(chǎn)生“動力”，從而將熱能轉(zhuǎn)換成機械能或機械作用。具體體現(xiàn)在兩個方面：

① 利用材料的熱膨脹或熱收縮；

② 組合使用不同熱膨脹系數(shù)的幾種材料。

圖50 溫度計

51 記憶金屬耳塞

(38) 發(fā)明原理38：強氧化劑原理（Use strong oxidizers，enriched atmospheres，accelerated oxidation）

加速氧化過程（增加氧化作用的強度），以改善系統(tǒng)的作用或功能，是利用一級向更高一級的氧化過程。

例如：高壓氧艙、純氧抗老化面霜、負離子清潔機與臭氧機等均是強氧化劑原理的應(yīng)用案例。

(39) 發(fā)明原理39： 惰性環(huán)境原理（Inert enviroment or atmosphere）

制造一種中性（或惰性）環(huán)境，以便支持所需功能（圖52、圖53）。具體體現(xiàn)在三個方面：

圖53 真空包裝

① 使用惰性環(huán)境替代通常環(huán)境；

② 添加惰性或者中性添加劑到物體中；

③ 在真空中完成某種操作。

(40) 發(fā)明原理40：復合材料原理（Composite materials）

通過將兩種或多種不同的材料（或服務(wù)）緊密結(jié)合在一體而形成的復合材料。

例如：復合的環(huán)氧樹脂、碳素纖維高爾夫球桿、玻璃纖維制成的沖浪板、防火衣、快速排汗衣、滌棉面料或陶瓷絕緣子等均是復合材料應(yīng)用案例。