基于ARIZ理論的鹵蟲卵脫殼問題的研究

孫朦朦 蘇長超

（天津海友佳音生物科技股份有限公司 天津 300350）

鹵蟲又稱鹽水豐年蟲、豐年蝦、鹵蝦，是一種世界性分布的小型甲殼類。20世紀(jì)30年代，Seale（1933）和Rollefen（1939）首先使用剛孵化的鹵蟲無節(jié)幼體作為稚魚的餌料以來，鹵蟲在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用范圍日趨廣泛［1］。

鹵蟲卵孵化后，無節(jié)幼體和卵殼及未孵化鹵蟲卵混在一起比較難分離，在投喂時(shí)，不可避免地有部分卵殼和未孵化蟲卵連同無節(jié)幼體一起投喂到育苗池中，卵殼含有幾丁質(zhì)的結(jié)構(gòu)，被養(yǎng)殖對象吞食后，會(huì)造成腸梗阻甚至死亡，鹵蟲卵脫殼后孵化則不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。Sorgeloos 等學(xué)者（1977）最早報(bào)道了鹵蟲卵的化學(xué)脫殼方法，由于蟲卵個(gè)體很小，既要保證鹵蟲卵脫殼完全，又不能損害胚胎，所以，對鹵蟲卵的脫殼工藝要求很高［1］。

發(fā)明問題解決算法（Algorithm for Inventive Problem Solving，ARIZ）是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論創(chuàng)始人Genrich Altshuller于1956年提出的解決復(fù)雜發(fā)明問題的方法［2］，ARIZ（發(fā)明問題解決算法）作為TRIZ中最強(qiáng)有力的工具，集成了TRIZ的大多數(shù)觀點(diǎn)和工具，專門用于解決復(fù)雜、困難的發(fā)明問題［3-6］，因此，在很多領(lǐng)域中不斷應(yīng)用。例如，吉利［7］等利用ARIZ算法為正畸扳手進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，付敏［8］等利用ARIZ 算法對咬合式雙層輥模生物質(zhì)成型機(jī)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，韓宏偉［9］等基于ARIZ算法提升光伏板隱裂現(xiàn)場檢測暗室遮光性能的分析，咼智強(qiáng)［10］等基于ARIZ的行李自助存取裝置設(shè)計(jì)研究。ARIZ 理論在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中具有高效性和實(shí)用性，能夠?yàn)榻鉀Q問題提供新思路和新方法，適用于解決機(jī)械設(shè)計(jì)問題。

因此，本文基于ARIZ 理論，研究鹵蟲卵脫殼過程中存在的脫殼程度與脫殼質(zhì)量之間的問題。利用創(chuàng)新工具，剖析鹵蟲脫殼程度與脫殼后孵化率的關(guān)系，并提供解決方案，解決脫殼過程中存在的技術(shù)矛盾問題。本研究中使用的ARIZ 為ARIZ-85C［11］版本，其流程如圖1所示。

圖1 AR IZ-85C 解決問題流程圖

1 問題描述

1.1 鹵蟲卵脫殼的原理

目前使用的鹵蟲卵去殼方法是Sorgeloos等［12］報(bào)道的化學(xué)去殼方法。吸水充分的鹵蟲卵與脫殼液接觸，利用氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)把鹵蟲卵的外殼氧化掉，在此過程中，鹵蟲卵的顏色由棕色變?yōu)榛野咨詈蟪书偌t色。脫殼完成后，將脫殼卵從脫殼液中分離，并用水與中和液洗掉殘留在脫殼卵外的脫殼液。這個(gè)過程主要包括水合、脫殼、水洗、中和、水洗幾個(gè)步驟，脫殼系統(tǒng)包括脫殼罐、鹵蟲卵、脫殼液、充氣系統(tǒng)、燈光、清洗系統(tǒng)。

1.2 存在的問題

鹵蟲卵個(gè)體小，大小不均，外殼厚度不勻，脫殼程度不易掌握。

1.3 新系統(tǒng)的要求

鹵蟲卵經(jīng)過脫殼后，大于95%的鹵蟲卵脫殼完全，脫殼后，鹵蟲卵的孵化率下降率小于3%，脫殼過程操作簡便，成本低，設(shè)備損傷小。

2 基于ARIZ的問題分析及求解

2.1 問題分析與描述

2.1.1 系統(tǒng)功能分析

對鹵蟲卵脫殼系統(tǒng)建立功能模型［13］如圖2 所示。鹵蟲卵由外殼、內(nèi)胚層和胚胎組成。水合后，鹵蟲卵與脫殼液通過從罐底鼓入的空氣混合，通過脫殼液與鹵蟲卵的接觸氧化掉鹵蟲卵的外殼，同時(shí)，對已經(jīng)脫掉外殼的脫殼卵胚胎造成損傷。水通過噴淋系統(tǒng)沖刷筒壁沖掉粘到筒壁上的鹵蟲卵，眼睛通過燈光反射到觀察窗里的顏色看到鹵蟲卵的顏色，判斷脫殼程度，達(dá)到顏色要求，將脫殼卵排入清洗桶。

圖2 脫殼系統(tǒng)功能模型

通過系統(tǒng)功能分析，得出導(dǎo)致鹵蟲卵脫殼后孵化率下降問題的功能因素，并選擇目標(biāo)問題如圖3所示。

圖3 目標(biāo)問題圖

2.1.2 因果分析

應(yīng)用因果分析法［13］對鹵蟲卵脫殼后孵化率下降的根本原因進(jìn)行剖析，如圖4所示。確定3個(gè)關(guān)鍵問題點(diǎn)：（1）脫殼液過量、不均勻；（2）脫殼液與脫殼卵分離速度慢；（3）脫殼卵胚胎無保護(hù)。

圖4 脫殼系統(tǒng)因果分析

2.1.3 “縮小問題”

鹵蟲卵脫殼技術(shù)系統(tǒng)的主要功能是脫殼液氧化掉鹵蟲卵外殼，系統(tǒng)包括鹵蟲卵、脫殼液、空氣、空氣提供的混合力、觀察窗、水。

技術(shù)矛盾（TC-1）：如果脫殼液多，那么脫殼完全，但是孵化率下降。

技術(shù)矛盾（TC-2）：如果脫殼液少，那么孵化率不下降，但是脫殼不完全。

形成小問題：很有必要對系統(tǒng)進(jìn)行最小改變，以實(shí)現(xiàn)脫殼完全和孵化率不下降。

2.2 分析問題模型

2.2.1 分析技術(shù)矛盾，建立矛盾圖

沖突解決理論是TRIZ的工具之一［14］，定義沖突元素。脫殼液有多和少兩種狀態(tài)。對象1鹵蟲卵脫殼的程度有完全和不完全兩種狀態(tài)，對象2 鹵蟲卵的孵化率下降和不下降兩種狀態(tài)構(gòu)建技術(shù)矛盾圖，形成兩個(gè)技術(shù)沖突。

狀態(tài)1：脫殼液多。有用作用鹵蟲卵脫殼完全。惡化參數(shù)：可靠性。有害作用孵化率下降。改進(jìn)參數(shù)：制造精度。

狀態(tài)2：脫殼液少。有用作用孵化率不下降。惡化參數(shù)：可靠性。有害作用鹵蟲卵脫殼不完全。需改進(jìn)參數(shù)制造精度，

狀態(tài)1到狀態(tài)2的工具是脫殼液，工具的參數(shù)是脫殼液的量。

根據(jù)上述表述，如圖5所示，由于鹵蟲卵脫殼必須完全，因此，選擇TC1為主要矛盾。

圖5 “縮小問題”技術(shù)矛盾圖

2.2.2 應(yīng)用技術(shù)沖突解決問題

對TC1中改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)用矛盾矩陣得到3 條發(fā)明原理［13］No.1、No.11、No.32。根據(jù)發(fā)明原理1，得到方案1：根據(jù)鹵蟲卵在不同鹽度水中的沉浮性不同，將鹵蟲卵分割，脫殼液與分割后的鹵蟲卵作用，能減少因鹵蟲卵大小不均造成的接觸不均的問題。

在TC1的基礎(chǔ)上激化矛盾，脫殼液的量極多，考慮引入X元素，在保證脫殼完全的情況下，又能徹底消除脫殼液對鹵蟲卵的極大損害。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解求解，由于脫殼液對鹵蟲卵的胚胎造成損害，構(gòu)成有害物場模型，可應(yīng)用第1、2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解［13］，對應(yīng)為No.10、No.11、No.15，具體方案如下。

方案2：修改脫殼液的溫度參數(shù)，降低脫殼液對鹵蟲卵的損害。

方案3：在脫殼液與鹵蟲卵作用完成后，引入一種物質(zhì)或場能與脫殼液作用，或能分解脫殼液，或能降低脫殼液的氧化作用，從而降低脫殼液的損害。

方案4：脫殼液作用于鹵蟲卵時(shí)，僅用空氣攪拌脫殼液與鹵蟲卵，接觸不均，增加第二個(gè)場（超聲波），改善接觸作用。

2.3 定義最終理想解和物理矛盾

2.3.1 操作時(shí)間，操作空間，物場資源

（1）操作區(qū)域。操作區(qū)域是脫殼液與鹵蟲卵外殼作用的地方，大于20μm的厚度，如圖6所示，可考慮將已經(jīng)完成脫殼的脫殼卵從脫殼系統(tǒng)中分離出。

圖6 脫殼液與鹵蟲卵作用圖

方案5：在脫殼液作用于鹵蟲卵的過程中，利用脫殼卵比鹵蟲卵輕的現(xiàn)象，利用重力不同，先分離出一部分已經(jīng)脫殼完全的脫殼卵。

（2）操作時(shí)間。圖7 表示出了脫殼液與鹵蟲卵作用的時(shí)間，操作時(shí)間是脫殼液主要作用于鹵蟲卵外殼的時(shí)間，OS1是脫殼液引入脫殼罐中的時(shí)間，OS2是脫殼液與鹵蟲卵外殼反應(yīng)后分離的時(shí)間。

圖7 脫殼液與鹵蟲卵的作用時(shí)間

方案6：縮短脫殼液注入的時(shí)間，縮短OS2時(shí)間，降低脫殼液與鹵蟲卵不均勻接觸的時(shí)間。

方案7：在脫殼液與鹵蟲卵作用后，往脫殼罐中快速注入大量冰水，稀釋脫殼液濃度，降低腐蝕力。

（3）可用物質(zhì)—場資源。定義所分析系統(tǒng)的物場資源、外部資源及其產(chǎn)品，羅列可利用的內(nèi)部和外部資源。

2.3.2 利用最終理想解求解

資源中存在一個(gè)X 元素，使得可在的操作空間和操作時(shí)間內(nèi)消除有害作用，同時(shí)，系統(tǒng)有用作用也能有效保持。利用X 對最終理想解進(jìn)行描述，見表1，本系統(tǒng)中引入X 元素，在OZ1、OZ2、OS1 和OS2 中，消除脫殼液對脫殼卵的氧化性，同時(shí)，保持脫殼液對帶殼卵外殼的氧化性，并且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，也不產(chǎn)生任何其他有害作用。

表1 利用X 元素的IF R-1 描述表

加強(qiáng)最終理想解，X元素存在可用資源中，不用加以改變，不能引入新的物質(zhì)和場，在現(xiàn)有資源中，脫殼液的狀態(tài)可作為X元素的資源。

方案8：脫殼液為液體，如果將脫殼液汽化，與脫殼卵接觸不會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化，也不會(huì)造成有害的副作用，汽化后的脫殼液與鹵蟲卵接觸就能完成腐蝕外殼的作用，同時(shí)不會(huì)有過多的脫殼液對鹵蟲卵造成損害。

2.3.3 物理矛盾求解

（1）宏觀定義物理矛盾。根據(jù)因果分析可知，脫殼卵孵化率的降低與過量的脫殼液接觸脫殼卵有關(guān)。宏觀層面上，在操作時(shí)間的操作區(qū)內(nèi)，一方面要增加脫殼液的量以保證脫殼完全，另一方面需要減少脫殼液的量以降低脫殼液對脫殼卵的損傷。針對這一物理矛盾，可采用系統(tǒng)內(nèi)部資源。

方案9：增加脫殼罐的不對稱性，加快脫殼液與脫殼卵的排出速度，縮短脫殼液與脫殼卵作用時(shí)間。

（2）微觀定義物理矛盾。從微觀上看，在操作時(shí)間的操作區(qū)域內(nèi)，一方面為保證脫殼完全，需要加大脫殼液的量；另一方面為保證對脫殼卵的損害小，需要減少脫殼液的量。針對此矛盾，可通過增加脫殼液與鹵蟲卵的接觸的均勻性以解決沖突。

方案10：將充氣方式由底部充氣改為罐體整體充氣，增加充氣的均勻性，將脫殼液盡可能地與鹵蟲卵混合均勻。

2.4 運(yùn)用擴(kuò)展物質(zhì)—場資源

小人法建模。假設(shè)5mm 小人為脫殼液分子，5mm小人的數(shù)量和距離代表脫殼液分子的濃度；2mm 小人為鹵蟲卵的外殼，2mm 小人的數(shù)量和距離代表外殼的厚度和分布。在球形鹵蟲卵外殼與脫殼液作用的區(qū)域內(nèi)，脫殼的過程就是5mm 小人吃掉2mm 小人的過程。鹵蟲卵外殼厚度不均，代表2mm小人的數(shù)量和排布不均，為了脫殼完全，一般5mm 小人的數(shù)量多于2mm 小人的數(shù)量，造成5mm 小人接觸鹵蟲卵內(nèi)胚胎。而且5mm小人與2mm小人的排列方式?jīng)]有規(guī)律，造成5mm小人吃掉2mm 小人的速率不同，被快速吃掉的區(qū)域5mm 小人持續(xù)接觸內(nèi)胚層，問題模型如圖8 所示。如果問題解決，5mm 小人的數(shù)量和排列方式應(yīng)該對應(yīng)2mm 小人的數(shù)量和排列方式，如圖9 所示。對2mm 小人的特性進(jìn)行深度開發(fā)，2mm小人含有鐵元素，可以考慮給5mm小人加磁，或者考慮給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶電荷。

圖8 問題模型

圖9 預(yù)期的模型

方案11：給脫殼液加磁，使脫殼液盡可能地吸附在鹵蟲卵外殼上。

方案12：給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶相反電荷，脫殼后的內(nèi)胚層帶相同電荷，通過電荷之間的吸引和排斥，規(guī)范脫殼液的分布。

3 創(chuàng)新解的評(píng)估

結(jié)合實(shí)際情況，從成本、效益及技術(shù)易得性等因素對得到的12個(gè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

方案1：根據(jù)鹵蟲卵在不同鹽度水中的沉浮性不同，將鹵蟲卵分割，脫殼液與分割后的鹵蟲卵作用，能減少因鹵蟲卵大小不均造成的接觸不均的問題。本方案工序簡單，可以作為備選方案。

方案2：修改脫殼液的溫度參數(shù)，降低脫殼液對鹵蟲卵的損害。本方案只需調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)線無需改變，屬于系統(tǒng)較小改動(dòng)。

方案3：在脫殼液與鹵蟲卵作用完成后，引入一種物質(zhì)或場能與脫殼液作用，或能分解脫殼液，或能降低脫殼液的氧化作用，從而降低脫殼液的損害。本方案需要增加新的物質(zhì)或者場，物質(zhì)的種類和場的條件需要試驗(yàn)確定，目前不符合使用條件，可作為以后的技術(shù)備選方案。

方案4：脫殼液作用于鹵蟲卵時(shí)，僅用空氣攪拌脫殼液與鹵蟲卵，接觸不均，增加第二個(gè)場（超聲波），改善接觸作用。由于增加第二個(gè)場會(huì)增加成本，暫不考慮。

方案5：在脫殼液作用于鹵蟲卵的過程中，利用脫殼卵比鹵蟲卵輕的現(xiàn)象，利用重力不同，先分離出一部分已經(jīng)脫殼完全的脫殼卵。本方案的可操作性強(qiáng)，系統(tǒng)幾乎沒有改變，生產(chǎn)線也沒有改變，沒有額外增加成本。

方案6：縮短脫殼液注入的時(shí)間，縮短OS2時(shí)間，降低脫殼液與鹵蟲卵不均勻接觸的時(shí)間。本方案工序方面沒有改變，改變了脫殼液的注入方式，會(huì)增加一次性設(shè)備投入，如果可以使系統(tǒng)的可控性增強(qiáng)，可以考慮。

方案7：在脫殼液與鹵蟲卵作用后，往脫殼罐中快速注入大量冰水，稀釋脫殼液濃度，降低腐蝕力。本方案工序簡單，增加了快速增加冰水的工序，會(huì)增加成本，如果冰水是一種易得便宜的資源，可以考慮。

方案8：脫殼液為液體，汽化后的脫殼液與鹵蟲卵接觸就能完成腐蝕外殼的作用，同時(shí)，不會(huì)有過多的脫殼液對鹵蟲卵造成損害。將脫殼液汽化與脫殼卵接觸不會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化，也不會(huì)造成有害的副作用，可作為技術(shù)儲(chǔ)備方案。

方案9：增加脫殼罐的不對稱性，加快脫殼液與脫殼卵的排出速度，縮短脫殼液與脫殼卵作用時(shí)間。本方案對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，需要增加一次性設(shè)備投入，如果節(jié)省的時(shí)間可以使系統(tǒng)的可控性增強(qiáng)，可以考慮。

方案10：將充氣方式由底部充氣改為罐體整體充氣，增加充氣的均勻性，將脫殼液盡可能地與鹵蟲卵混合均勻。本方案對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，需要增加一次性設(shè)備投入，如果節(jié)省的時(shí)間可以使系統(tǒng)的可控性增強(qiáng)，可以考慮。

方案11：給脫殼液加磁，使脫殼液盡可能地吸附在鹵蟲卵外殼上。本方案處于概念階段，需提前驗(yàn)證加磁的可行性，可作為儲(chǔ)備方案。

方案12：給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶相反電荷，脫殼后的內(nèi)胚層帶相同電荷，通過電荷之間的吸引和排斥，規(guī)范脫殼液的分布。本方案處于概念階段，需提前驗(yàn)證加電荷的可行性，可作為儲(chǔ)備方案。

4 結(jié)語

對于鹵蟲卵脫殼問題，應(yīng)用ARIZ進(jìn)行了問題描述和功能模型建立。通過最終理想解和物理矛盾、擴(kuò)展物場資源等方法求解，得到12個(gè)解決方案。對方案從成本、效益及技術(shù)可行性等方面進(jìn)行評(píng)估，最終決定創(chuàng)新方案為將溫度為-5℃的脫殼液倒入脫殼罐中。脫殼罐罐體有雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為100目網(wǎng)層，具有極小凸起的半球型，外層仍是光滑透明型；內(nèi)外層中空，空氣由此進(jìn)入罐體。在脫殼過程中反復(fù)進(jìn)行停氣，將下沉的脫殼卵排入清洗罐，開氣，直到?jīng)]有上浮的鹵蟲卵，一般操作2 次即可。該方案既滿足系統(tǒng)改善的目標(biāo)，又符合實(shí)際需求，驗(yàn)證了ARIZ在解決復(fù)雜問題上的有效性，為技術(shù)研發(fā)人員開拓了新思路。