创新原理与应用实例

一、40个创新原理

苏联发明家阿奇舒勒在对大量专利的研究中发现，不同的发明创造往往遵循共同的规律，他提炼出TRIZ中最重要、具有普遍用途的40个创新原理。

TRIZ的40个创新原理见表4－5。本节将结合实例，针对具体的技术矛盾，结合工程实际，对这些原理作详细介绍。

表4－5　40个创新原理

二、创新原理详解与应用实例

1.分割（segmentation）

基本思路：化整为零。整体难以实现某功效时，通过整体的分割来实现。

实现途径：

（1）将物体分成相对独立的部分（化整为零）。例如，火车每节车厢是相对独立的个体，可根据旅客人数的多少调整车厢的数量；圆珠笔的笔心与笔套是两个可分的部分，笔心用完后可以换；将电脑硬盘分割成相对独立的区域（C盘、D盘、E盘等），可以方便文件分区管理。

（2）使物体成为可组合的（易组装、可拆装）。例如，组合式家具、组合式积木、组合地板、组合工具、分体式空调、可脱卸式羽绒衣、组合式拖把、可组装枪等；带接口的消防水管，可根据需要将一段段消防水管串接起来，方便远距离救火；电池可分离的手提电脑，在能使用交流电的场合可不带电池，大大减轻电脑重量。

（3）增加物体的分割程度（细分）。例如，用百叶窗代替整块窗帘布，达到既能遮光又能透光的效果；电子线路板表面贴装技术中，使用粉末状的焊锡代替传统焊锡丝和焊锡条，以提高焊接的透彻程度。

【奥运会活体字模表演】

在2008年北京奥运会开幕式上，展现我国四大发明之一的活字印刷表演是大受欢迎的一个节目。该节目将整个演出场景分割成896块活体字模，通过每块活体字模的变换组合，相继变化出古体和现代汉语的“和”字，以及水波纹、长城、山桃花等造型，气势恢弘又充满创意。

与开幕式许多表演使用的高科技相比，活体字模的操控方式显得原始而简单。每个字模道具包含两层分离的字模筒，中间是一个可以张合的活动机关。每个字模筒内藏有一个演员，用来操控字模筒。演员在拉动机关时，外层字模筒便会上下滑动，而内层的字模筒则保证在外层字模筒上升时，里面的骨架和演员不会“穿帮”。每个字模道具高2米多，操控装置采用“剪刀叉”设计，运用杠杆原理减轻演员操控时所需的力度。在表演时，演员可以在1秒钟内轻松地将外层字模筒升高到4米左右，完成所需要的动作。

由于每个字模道具都是封闭的，演员们看不到其他同伴，没有参照物和提示，这加大了表演的难度。导演组为每个字模单独编写了一套口令，这些口令精确到每一秒。演员们需要做的就是根据自己所在字模的口令，在预定的时刻完成预定的动作，实现预期的效果。

图4－2　北京奥运会开幕式上的字模表演

2.提取（extraction）

基本思路：去除有害因素，利用有益因素。

实现途径：

（1）将系统中无用的、产生负面作用的部分或特性提取出去。例如，分体式火箭在冲出大气层的过程中，将已经燃完燃料的部分解体分离；石油加工过程中，将油渣或其他有害物质提炼分离，以获得较高纯度的汽油或柴油。

（2）将系统中有用的、产生正面作用的部分或特性提取出来。例如，用狗叫声作为报警器，而不是养一条真的狗。

【悬丝诊脉】

悬丝诊脉，古已有之。人如果身体有什么不适，都会在脉搏的跳动中显示迹象。只不过古代医师通常都是用手指搭脉，而给女病人看病时，为了避嫌改用丝线系在女病人的腕上，医师拿住丝线的另一头，靠感觉丝线上传过来的脉搏跳动规律来判断诊治。

3.局部改善（local conditions）

基本思路：当整体不能或不易改变时，通过局部改变，提高整体功效。

实现途径：

（1）将物体或环境的同类结构转变为异类结构（同中求异）。例如，用变化的温度、压力代替恒温、恒压等。刀的刀刃部分用硬度高、耐磨的好钢制成，刀的其他部分用一般的钢，在降低成本的同时保证刀的质量。

（2）使组成物体的不同部分具有不同的功能（功能各异）。例如带起钉器的订书机。

（3）使组成物体的每一部分都处于最佳状态，以最大限度地发挥各部分的作用（局部优化）。例如袜跟加厚的袜子。

【厕所与饭店】

某老板在国道边开了一家饭店，一心想赚过往旅客的钱。但开业后饭店生意并不景气，眼看着众多车辆经过，却很少有人光顾他的饭店。于是他便在饭店旁边建了一个非常醒目、漂亮的厕所。结果许多司机和乘客纷纷停下车来方便，也就顺便光顾了他的饭店。

4.不对称（asymmetry）

基本思路：通过不对称设计，产生不同效果。

实现途径：

（1）以不对称形状取代对称形状（变对称为不对称）。例如，公路急转弯处地面设计成外高内低，有利于消减离心力，防止交通事故的发生；电器的插头插座、电脑的USB接口等设计成不对称形状，确保不会插错。

（2）如果物体已经不对称，则增加其不对称的程度（变不对称为更不对称）。对称性设计是传统设计中常采用的形式。事实上，设计中的很多矛盾冲突都与对称性有关，将对称设计改为不对称设计，往往能有助于问题的解决，取得创新的效果。

【不对称轮胎花纹】

图4－3　不对称花纹轮胎

轮胎花纹的形状有很多，如条形花纹、羊角花纹、块状花纹等，一般是对称设计的。图4－3则是一种不对称花纹的轮胎，这种轮胎胎面左右两侧花纹的形状不同，有利于增大转弯时轮胎外侧的抓地力，可以提高汽车高速转弯的能力。

5.合并（consolidation）

基本思路：通过组合求创新，产生组合前达不到的效果。

实现途径：

（1）合并空间上关联的物体或操作。例如，沙发床将沙发和床的功能合为一体，达到一物两用和节省空间的效果；房间的窗户安装双层玻璃，实现隔音、隔热效果。

（2）合并时间上关联的物体或操作。例如，冷热水龙头将原来的冷水和热水两个龙头的功能合并，可通过转动龙头方便地调节出水温度。

【玻璃磨角】

一家玻璃厂接到一批订单，需要生产大量椭圆形的玻璃板。

工人们首先将玻璃切成长方形，然后再将四个角磨成圆弧形以得到椭圆形的玻璃板。然而，在磨削过程中出现了大量玻璃破碎的现象，原因是玻璃受力时很容易断裂。

最终的解决方法是基于合并原理。工人们先在每块玻璃上洒一些水，然后将多块玻璃板叠放在一起。玻璃由于水的作用而粘合成一体，其强度远大于单层玻璃。在磨削过程中，叠层玻璃能承受较大的磨削力，从而大大减少玻璃破碎现象，也极大地提高了工效。当磨削加工完成后再将玻璃分开，便可得到所需产品。

6.多用性（universality）

基本思路：集多种功能于一身（一物多用）。

实现途径：

（1）使一个物体同时具有多种不同功能，以减少完成这些功能的物体的数量（多功能）。例如，集打印、复印、扫描、传真功能于一体的电话机；具有洗发、护发功能的二合一洗发露；既方便近距离阅读、又方便看远处景物的双焦距眼镜等。

（2）一个物体可用于多个不同场合（普适性）。例如，婚纱、礼服等婚庆用品结婚只用一次，通过出租可使其“循环”使用。

设计“一物多用”产品时，应该至少考虑以下几点：“多用”中的每个用途是否恰当和完整；它们之间的转换是否容易；增加转换功能后，每个功能是否能做到实用和耐用。

【钱包皮鞋】

在普通皮鞋面料下多加一层衬里，便可作为钱包使用。当外出旅游或出差时，把钱放入鞋内小包中，可保万无一失，小偷难以施展伎俩。不过记住千万不要随意脱鞋。

7.嵌套（nesting）

基本思路：分层、套装。

实现途径：

（1）将第一个物体嵌入第二个物体中，然后将第二个物体嵌入第三个物体中，依此类推。例如，电脑的文件夹中有若干个子文件夹，每个子文件夹中又有多个文件夹。

（2）让一个物体穿过另一个物体的空腔。例如，拉杆天线、伸缩式教鞭、钓鱼竿、照相机的变焦镜头等。

【俄罗斯套娃】

俄罗斯套娃是俄罗斯的特产木制工艺品，一般由多个相同图案的空心木娃娃一个套一个组成，最多可达十多个。

图4－4　俄罗斯套娃

8.配重（anti－weight）

基本思路：质量补偿，借助外力抵消或补偿。

实现途径：

（1）通过物体与具有提升力的另一物体的组合来平衡物体重量。例如，用气球悬挂广告条幅；潜艇通过排放水来实现升浮。

（2）通过物体与环境（如气体或液体）相互作用产生的动力来平衡物体重量。例如，飞机机翼的形状可以使其上部空气压力减少、下部空气压力增大，由此产生升力；磁悬浮列车通过磁力的相互排斥作用使列车车厢悬浮，从而减少摩擦阻力、提高车速。

（3）利用环境中可取得的相对力量，平衡系统中的有害作用（负面属性）。例如，滚筒洗衣机中设有配重块，可以防止洗衣机高速转动时的不稳定；起重机的配重，可防止起重机出现头重脚轻而翻倒的情况。

【阿基米德桥】

当人们需要跨越某个水域时，往往有多种选择。比如从上海的浦西去浦东，可以选择坐轮渡、过桥、过隧道等。尽管桥有浮桥、悬索桥、斜拉桥、拱桥等形式，隧道又有沉管隧道和盾构隧道等形式，但都是要么从水面上通过，要么从水底或地下通过。人们不禁要问：为什么不能直接从水中穿过呢？如果能够像鱼儿一样直接在水中穿行，将是一件多么美妙的事情。

1966年，英国工程师格兰特首次提出建造水中悬浮隧道的想法，并申请了专利。水中悬浮隧道又叫阿基米德桥，其建造方法与在地下埋管道相似，不同的是，地下管道借助土壤支撑，而水中悬浮隧道借助的是水的浮力。由于管道中间是空的，整个管道体积很大，可以获得很大的浮力，形成一条悬浮在水中的隧道。

对于浮力大于重力的阿基米德桥，它和水底的连接方式与一般桥相反，需用缆索或其他方式将隧道固定于水底和两岸，以防隧道浮出水面。阿基米德桥横截面可以为椭圆形或圆形，长度可达几千米，宽度可达几十米，可通行汽车，也可建成多通道，同时通行汽车和火车。

作为一个创新的概念，阿基米德桥具有现有桥梁和隧道所不具备的优势和特点：它十分符合环保要求，对两岸地貌的影响非常小，不破坏景观，不影响水面交通，受台风影响小，可有效对抗地震。此外，阿基米德桥还有一定的旅游价值。据报道，中科院力学所已和意大利阿基米德桥公司共同建立中意阿基米德桥联合实验室，对阿基米德桥进行科学研究，并计划在浙江千岛湖水域建造世界上第一座“阿基米德桥”。

9.预先反作用（prior counteraction）

基本思路：欲取先与，有作用就有反作用，有压迫就有反抗。

实现途径：

（1）预先施加反作用或反操作。例如，安眠药外覆催吐剂，如果一次吞过量时就会造成呕吐；运动会上赛跑用的助力器，运动员利用它对脚的反作用力提高加速度。

（2）如物体将处于受拉伸状态，则预先施加压力，反之亦然。例如，在浇注混凝土前，对钢筋进行预压处理；步枪的预压弹簧，可降低后坐力。

【压力式果核壳仁分离法】

在农产品的加工过程中，常遇到需要将果肉与果核快速有效分离的问题。例如，加工辣椒时，需要去除辣椒的籽和蒂。传统人工剥离的方法效率太低，并且容易破坏果肉的完整性。

有人从制作爆米花的方法中得到灵感，先将辣椒置于密闭容器中，然后使容器内的压力由1个大气压逐渐加大到8个大气压，接着再将压力突然降到1个大气压。容器内压力的骤变，使辣椒果实内外产生巨大的压力差，导致其在最薄弱的部分产生爆裂，使果肉与果核顺利分离。

该方法除可成功地去除青椒的籽和蒂外，还可用在松子、向日葵、栗子、核桃等的果核壳仁分离，以及沿微细裂纹切割钻石等具体问题中，只是分离不同的材料所需的压力不同而已。

10.预先作用（prior action）

基本思路：提前行动。

实现途径：

（1）预先完成部分或全部有用的作用或操作。例如，衣服采用预缩水处理；易拉罐带有拉环方便打开；药片上带有沟槽，便于将药片分成半颗；带胶水的邮票、不干胶黏贴纸方便使用。

（2）预先安置物体或系统，便于它们在第一时间发挥作用。例如，停电应急灯、火灾报警器、防盗报警器等；手机预设单键快拨号码。

【带易拉环的啤酒瓶盖】

图4－5　带易拉环的啤酒瓶盖

喝瓶装啤酒最大的不方便应该就是开瓶了，没有开瓶器时只好用筷子撬、用桌角磕，甚至用牙咬，有时一不小心把瓶口弄破了还可能伤到嘴巴。这款采用易拉环的啤酒瓶盖，可以解决开瓶问题。把易拉罐的拉环设计借鉴到玻璃瓶的瓶盖上，于是，瓶装啤酒也“易拉”了。

11.预先应急措施（cushion in advance）

基本思路：未雨绸缪，提前做好应对的准备。

实现途径：以事先准备好的应急措施补偿系统相对较低的可靠性。例如，宇宙飞船与宇宙空间站的对接有自动控制和手动控制两种方式，后者是对前种方式的补偿，有利于大大提高交会对接的可靠性和成功性；高压锅的安全排气阀，汽车的安全气囊和备胎，飞机座位上方的备用降落伞等。

【危险的冰柱】

在北方冬天时，房子上的排水槽和排水管里会形成坚硬的冰柱，有的长达数米。当春天到来时，排水管受阳光照射，吸收的热量首先融化冰柱的外表。当融化到一定程度时，冰柱会在重力作用下从排水管中滑落，撞破排水管的弯头，有时冰柱碎块会从排水管中飞出，扎伤路过的行人，造成危险。

一个基于预先应急措施原理的解决方案是：在冬天来临之前，在排水管里穿进一根绳子，冰柱中的绳子可有效防止冰柱滑落，保证其渐渐地消融。

12.等势（equi potentiality）

基本思路：平等。

实现途径：不易或不能升降的对象，通过外部环境的改变达到相对升降的目的，避免物体位置的改变。例如，火车的车门底部与站台地面相平，可方便旅客上下车；有些门让人们搞不懂应该是推还是拉，这样的场合可设计成推拉门；汽车底部检修时，在地面设置凹槽，将汽车停在凹槽上方，检修员就可以在凹槽内方便地检查汽车底盘。

【一米一视野】

日本NHK电视台曾经制作过一部名叫“一米一视野”的影片，内容是报道小学一年级学生的就学与日常生活情况。

因为小学一年级学生的眼睛高度平均在1.1米左右，所以影片的名称就叫“一米一视野”。记者在拍摄学生上学、放学、居家生活以及街景、学校等镜头时，摄影机的镜头全部定在1.1米的高度。

结果发现：小学生因为个子矮，走在街上买不到热狗；想打电话，却因够不到投币孔、拿不到话筒而放弃；有些小学生住在高楼大厦里，放学回家因按不到电梯按键，只好爬楼梯……

节目播出后，引起全日本的热烈反响。以往各贩卖架、公用电话、电梯按键等，只从大人的角度去设计，从未考虑到儿童的立场。从此之后，日本在兴建公共设施时，逐渐考虑到儿童与残障人员是否方便。

13.反向（inversion）

基本思路：反其道而行之。

实现途径：

（1）颠倒以往解决问题的办法。例如，拆卸处于紧密配合的两个零件时，采用冷却内部零件的方法，而不是加热外部零件，两者可达到同样的目的。

（2）使物体的固定部分变为活动的，使物体的活动部分变为固定的。例如，电梯的发明改变了楼梯不动、人费力爬楼的艰难。

（3）将物体、过程或程序颠倒。例如，安装螺丝钉用的手持机器，正转是安装，反转是拆卸；热源在锅盖上的电煎锅，可大大减少油烟。

【锥体上滚】

锥体上滚是针对机械能转换和守恒而设计的一个趣味科学实验。实验装置包括V形轨道和双圆锥体，如图4－6（a）所示，V形轨道开口端高、闭口端低，将双圆锥体置于V形轨道的低锥体会自动向V形轨道的高端滚动，形成“怪坡”现象，由此激发学生的好奇心和求知欲。仔细观察可发现，实际上在锥体上滚过程中其质心（转轴）的高度是逐渐下降的。

笔者运用反向原理发明了另一种锥体上滚仪，如图4－6（b）所示，将V形轨道改为闭口端高、开口端低，双锥体的形状也与图4－6（a）中相反，由两个相同锥体在较小端连结合构成。新的双锥体也会自动从V形轨道的低端向高端滚动。

图4－6　锥体上滚实验

14.曲面化（spheroidality）

基本思路：化直为曲。

实现途径：

（1）用曲线代替直线，用曲面代替平面，用球体代替立方体。例如，建筑中的拱形石库门结构，可增加建筑结构的强度。

（2）利用滚筒、滚轮、球、螺旋等结构。例如，螺丝钉与螺帽采用螺旋相接，增加了结合力和稳定性；鼠标利用滚球、滚轮的转动，控制光标的移动。

（3）用旋转运动代替直线运动，利用向心力和离心力。例如，过山车采用急剧曲线运动产生的向心力，使其不会掉下来；洗衣机利用旋转产生的离心力脱水。

【台湾彰化扇形车库】

建于1922年的彰化扇形车库位于台湾铁路山线及海线交汇处、台湾西部干线的中间点。它是一个半圆弧状的车库，其主要功能是用于停放火车头并对它进行维修、保养、调度等，因而有“火车头旅馆”的昵称，是蒸汽机车时代的见证。

彰化扇形车库中间设一个转车台，四周有呈辐射状的12条轨道，轨道的一端是一间间编有号码的呈扇形分布的长型车库，用于停放火车头。中间的转车台用来控制火车头的行进方向。当有机车要开进车库时，转车台就先转到开进车库的轨道，让机车开到转车台上，然后由人工控制转车台转动到要停放的轨道方向，再将机车开进车库中。

该转车台还有另外一个功能：以前用的蒸汽机车不像现在的电力机车两端都有驾驶室，所以开到终点后就必须调头。这时只要将机车开上转车台，转180度就可以调头了。

1991年台湾铁路电气化之后，扇形车库的功能日益减退，彰化扇形车库已成台湾唯一保存下来的扇形车库和文化古迹。目前仍担负着部分调度角色。

图4－7　台湾彰化扇形车库

15.动态化（dynamic）

基本思路：以动制静。

实现途径：

（1）使物体或环境自动调节，随时达到最佳状态。例如，当上课或下课时，学校用的电铃自动打铃；飞机的自动导航仪。

（2）将物体分成几个部分，各部分位置可相对变化并相互配合。例如，电脑、电视机显示器的托盘支架，可以调整显示器的位置与方向；翻斗卡车的翻斗可以用液压装置顶起，翻斗一翘，货物即可卸掉。

（3）使不动的物体变为可动，或具有自适应性。例如，汽车上的可调式方向盘、座椅、后视镜，能根据车速和雨量自动调节刮雨速度的雨刮器；公园等公共场所的板凳若被雨淋湿，可旋转至干燥的一面。

（4）增加物体的自由度。例如，可任意弯曲的“蛇形灯”，可任意弯曲的笔等。

【礼貌雨伞】

雨天撑着雨伞在拥挤的道路上与别人擦肩而过时，雨伞经常会互相碰在一起“打架”。图4－8为一款可伸缩自如的“礼貌雨伞”，有了它你就不必担心这种情况的发生。

4－8　

这款雨伞通过设计在把手上的下拉绳索，可以自由控制伞面的曲度以改变伞的面积。当你与别人擦肩而过时，只需将绳索轻轻一拉，雨伞的边缘就会缩回，腾出一些地方，避免与别人碰擦，而且可以根据需要选择拉下一边还是整个都拉下。

16.不足或过量作用（partial or excessive action）

基本思路：多或少。

实现途径：如果很难达到100%的理想效果，则使用较多一点或较少一点的做法来使问题简化。例如，要测单张纸的厚度时，可以先测100张纸的厚度，然后除以100；驾驶车辆时，车速控制在比道路最高限速稍低一点，确保不会因速度表误差等原因超速而被罚款；拍摄照片时曝光不足或曝光过量，有时都能产生特殊的摄影效果。

【先少后加】

有30亿资产的美国妇乐公司副总裁艾丽荷·巴伦，年轻时曾当过一家糖果店的售货员，顾客特别喜欢找她买东西。其实原因很简单，别的售货员称糖果时起初都拿得太多，然后一颗颗将糖果从秤上往下减，而她则是先少拿，然后一颗颗再往上加。这一加，满足了顾客的购物心理。

17.多维法（shift a new dimension）

基本思路：变换维度。

实现途径：

（1）变一维为多维。例如，旋转楼梯，立交桥等。

（2）多层代替单层。例如，学生宿舍的双人床，多层蛋糕，千层饼，三夹板，立体停车场等。

（3）倾斜或侧向放置。例如，可调节倾斜度的凳子，自动装卸车等。

（4）利用物体的另一面。例如，印刷电路板两面都用来焊接电子元件，这要比单面焊接节省面积。

【长在空中的西瓜】

原本长在地上的西瓜却长在了空中。中国寿光国际蔬菜科技博览会上，一只只西瓜犹如灯笼似的挂在空中，吸引了众多人的眼球。

图4－9　长在空中的西瓜

18.机械振动（mechanical vibration）

基本思路：通过振动，产生变化。

实现途径：

（1）利用振动、摆动。例如，手机的振动提示；超声波清洗器利用振动去除物体表面的污物；振动甩脂机利用振动甩掉身上的脂肪。

（2）利用物体的共振频率。例如，使用脉冲频率与被断开木材的固有振动频率相近的工具，可以减少工具进入木材所需的力，这是一种无锯末断开木材的方法；利用超声共振粉碎胆结石或肾结石。

（3）改变振动产生的方式。例如，利用压电振动替代机械振动，将超声波振动与电磁振动配合使用；石英晶体振动驱动高精度表。

（4）改变物体的振动频率。

【老师听不见的手机铃声】

2006年度“搞笑诺贝尔奖”的和平奖颁给了英国梅瑟蒂德菲尔地区的科学家哈沃德·史泰波顿。他根据青少年与成年人听觉范围的不同，研制出一种装置，这种装置可以发出一种只有青少年能听到、但大多数成年人却听不到的高频声音。利用这一技术，他发明了一种商家用来驱赶不良青少年的高音喇叭。成年顾客可以不受干扰地在商店内购物，但不良青少年却因为声音刺耳而逃之夭夭。

此外，他又用同一原理发明了一种只有青少年能听到、而老师却听不到的手机铃声。这种神奇的手机铃声能发出14 400赫兹左右的高频声音，并可以从网上下载。这样学生在上课时如果有来电，老师会毫无察觉。

19.周期性作用（periodic action）

基本思路：用周期性作用替代其他作用。

实现途径：

（1）用周期性动作或脉冲取代连续动作。例如，警车、救护车的笛声交替变化，代替连续的声音，更能引起人们的注意；报警灯一闪一闪的，比持续发光更引人注目；浇灌农田、草地的喷水龙头旋转喷水；手机的闹铃可在每天的固定时间响一次。

（2）改变周期性动作的频率。例如，马拉松长跑、竞走等属于周期性运动项目，在参加这些运动项目时，因人而异调整步伐的大小和动作的频率，有利于达到最佳锻炼效果和提高比赛成绩。

（3）利用动作的间隙执行另一动作。例如，汽车的ABS刹车系统，自动采取一松一紧的方式，逐步使车轮停止转动。

【清除飞机跑道上的积雪】

在下大雪的时候，机场往往用强力鼓风机来清除跑道上的积雪。但是，如果在积雪量很大的情况下，强力鼓风机往往也不能有效地清除积雪。这时需要提高鼓风气流的速度，即为鼓风机提供更大的动力。

一种更为有效的方法是利用周期性动作原理，在鼓风机上增加脉冲控制装置，让空气流按照一定的脉冲频率排出。这种脉冲气流的除雪效率是相同功率、连续气流除雪效率的两倍。

图4－10　增加脉冲控制装置有效除雪

20.持续有效作用（continuity of useful action）

基本思路：用持续作用替代其他作用。

实现途径：

（1）不间断的连续作用，系统的所有部分一直处于满负荷工作状态。例如，超市的电梯为保证顾客能够及时疏散与方便，采用连续性工作；工厂里的一道道生产线连续运转，保证企业效率；餐桌上的电动转盘可以慢速连续转动，方便食客。

（2）消除空闲的、间歇的行为。例如，出租车白班、夜班交替工作；滚筒式油漆刷代替往复式油漆刷；打印机的打印头在回程过程中也进行打印；双面玻璃清洁器可同时擦玻璃的内外两面；一种双面锯在锯条的两边均开有锯齿，在推、拉锯子时都能锯东西，效率提高一倍。

（3）用旋转的动作取代前后往复运动。例如，宾馆的旋转门。

【太阳能自动跟踪发电站】

我国2006年底在济南建成100千瓦自动跟踪并网太阳能电站。太阳跟踪器安装在太阳能光伏装置上，能自动根据太阳光的位置，驱动电机带动机械转动机构始终跟随太阳位置运动。从而延长聚集太阳光时间，并提高聚光效率，确保持续有效发电，大大提高发电能力。

目前世界上最大规模的跟踪式太阳能发电站2008年10月在韩国全罗南道新安郡智岛邑建成。该电站占地面积67万平方米，安装有13.065 6万块太阳能电池板，发电规模为24兆瓦，所发电力可供一万户家庭使用。

21.紧急行动（rushing through）

基本思路：当要实现某个目标但过程有害或危险时，可快速完成过程。

实现途径：

（1）快速执行一个危险或有害的作业。例如，在十字路口横穿马路时，应在绿灯亮的情况下快速通过，以免在通行一半的情况下变灯发生危险。

（2）高速跃过某过程或个别阶段（如有害的或危险的）。例如，照相机使用闪光灯时高速闪烁，避免给人眼造成伤害。

【“磁速”网球拍】

菲舍尔公司推出的“磁速”网球拍不但不会限制你的正手击球，反而能击中最有效的击球点。在正常击球时，球拍的结构在恢复前会稍微变形，然而，一旦拥有“磁速”网球拍，安装在拍头两侧的两个单极磁铁有助于加快球拍恢复的速度，这样，球就有了更大的力量可以弹回到球网的方向。德国网球选手格罗恩菲尔德和其他著名选手都使用这种球拍进行比赛。磁铁的作用就是使球拍在瞬间恢复原位的紧急行动。

22.变害为益（convert harm into benefit）

基本思路：通过某种过程或某个方法把有害的变为有益的。

实现途径：

（1）利用有害因素（特别是介质的有害作用）获得有益的效果。例如，将可能污染环境的废旧物品回收，加工后重新利用。

（2）通过有害因素与另外几个有害因素的组合来消除有害因素。例如，利用粪便和生活垃圾产生沼气。

（3）将有害因素加强到不再是有害的程度。例如，带轮的打滑本来是有害的，但在过载时能起到保护带的作用。

【二氧化碳变害为益的用途】

每年全世界排出的二氧化碳量高达200亿吨，其中发电厂排出二氧化碳的量约占27%，由工厂排出的占33%，机动车排出的占23%，一般家庭排出的占17%。大气中二氧化碳浓度的不断增加，一是会加剧温室效应，二是生态平衡遭到严重破坏，引起一系列生态环境问题。为了彻底解决上述问题，可通过以下方法使二氧化碳变害为益、变废为宝。

二氧化碳是良好的致冷剂。固体二氧化碳具有比冰块更有效的致冷效能。干冰（CO2）的升华潜热是590.34焦耳每克，而冰的升华潜热是333.56焦耳每克，此外，它比冰的致冷温度低50多摄氏度，吸热后即升华为气体逸出。当固体二氧化碳加热至－17.8℃时，其中原有的总有效致冷效能还有86%留于二氧化碳中，15%留在蒸汽中。不仅冷却速度快，操作性能良好，不浸湿产品，不会造成二次污染，而且投资少，节省人力。

二氧化碳可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏。目前，二氧化碳气调冷藏已在欧美、日本、澳大利亚等国家用于对苹果、梨、香蕉、柑橘和一些热带水果的贮藏。二氧化碳气调法通过降低空气中氧气的分压从而提高二氧化碳的分压，并使这两种气体相对稳定于一定分压下以达到抑制瓜果的呼吸强度、减弱其新陈代谢、阻止发芽、延缓后熟老化作用。同时，二氧化碳还可抑制微生物的活动，是一种不添加任何防腐剂的保鲜物质。

二氧化碳还可用于粮食的贮存，它比通常所用的熏蒸剂效果更好。如美国艾尔科大米公司的试验结果表明：二氧化碳能穿透500吨大米的贮存库。在通入该气体24小时后发现，供试验用的大米里生长的成虫死亡99%。研究还表明，该气体不仅有优异的杀虫灭鼠性能，而且防潮防霉，可省去翻晒所需的大量人力物力。

23.反馈（feedback）

基本思路：通过被控制的过程对控制机构的反作用来影响这个系统的实际过程或结果。

实现途径：

（1）进行反向联系。例如，驾驶室中的各种仪表将车辆所处的行驶状态反馈给驾驶员，以方便驾驶员操作车辆。

（2）如果已有反向联系，则改变它。例如，自动温控装置在达到设定的温度时，把信息传递给控制器使设备停止工作；反之，启动设备开始工作，以达到自动控制温度的作用。

【聪明绳索】

任何一个消防队员或者攀岩者都可以告诉你，一条简单的绳子可以救你的命，条件是它不要磨损或突然断裂。如今科学家研制出“聪明绳索”，这种智能绳索里面织有电子传导金属纤维，可以判断它所承受的重量，如果重量太大，它无法承受，绳脖就会向使用者发出警告。智能绳索还可以用于停泊船只、保护贵重物品或者用于营救行动。

聪明绳索就是在普通绳索上增加了反馈，从而提高了安全性。

24.中介物（mediator）

基本思路：当无法直接达到某种目的或某个结果时，可以通过一个中间过程或中介物起传递的作用。

实现途径：

（1）利用中介物质传递某一物体或过程。例如，利用托盘将热杯子托起，避免烫伤；端菜的时候可以把菜放在托盘上，这样一次可以同时端几盘菜，既稳又提高效率。

（2）在原物体上附加一个易拆除的物体。例如，提升物体时装一个动滑轮，可以省力，不需要时可以把它拆除。

【斜面坡度测量仪】

图4－11是作者利用重力特点、以重力作用下的指针为中介物设计的一种斜面坡度测量仪，由底座、转轴、指针、刻度盘等组成，指针中部固定在转轴上，指针尾部连结一重物，刻度盘位于以转轴为圆心的圆周上。实际测量时，将底座放在待测斜面上，指针尾部的重物在重力作用下，带动指针绕转轴转动并稳定在竖直位置，此时指针所指刻度盘的读数，即为待测斜面的倾斜角。

图4－11　斜面坡度测量仪

25.自服务（self service）

基本思路：使物体通过执行辅助或维护功能为自身服务。

实现途径：

（1）物体应当为自我服务，完成辅助和修理工作。如可以自己充电的机器人。

（2）利用废弃的资源、能量和物质。例如，利用火炬燃烧时本身释放出的热量，设计增加回热管，用火炬的热量来加热燃气罐，这样就可以使丙烷始终保持一定的温度，保证火炬不熄灭。

【一键还原】

在电脑受到病毒破坏时，只要按下电脑上的“一键还原”键，电脑很快就可以恢复到出厂状态，这样就免去重装系统的烦恼，为用户提供了很大的方便。

26.复制（copying）

基本思路：在原物或原系统难以实现的情况下，制造相似的复制品或复制环境。

实现途径：

（1）用简单而便宜的复制品代替难以得到的、复杂的、昂贵的、不方便的或易损坏的物品。例如，宇航员的模拟训练系统；公园中的微缩景观；售楼处的楼盘模型。

（2）用光学图像替代单件物品或系列物品，图像可以放大或缩小。例如，利用手机拍摄、传输照片或图像，极大方便地满足了人们的需要。

（3）可见光仪器可由红外线或紫外线仪器替代。如用卫星图像代替实地考察。

【宇航员模拟训练系统】

宇航员的选择要求和标准很高，对于选拔出来的宇航员还要经过相当长时间的训练，但这种训练不可能在实际过程中进行，这就需要有模拟系统来模拟特殊环境训练。例如，利用中和浮力模拟池进行失重训练；借助隔离舱进行航天生活环境训练；用弹射座椅、救生塔实施救生训练；置身森林、海水、沙漠锻炼生存能力；又如利用出舱模拟器进行出舱训练；在低真空的航天器模拟舱中熟悉操作内容，进行从起飞到着陆的全部飞行科目训练；将飞行程序和其他类别的操作综合起来训练，在飞行中与地面通信联络，应对紧急状态和故障等。

27.替代（dispose）

基本思路：用低成本的或虚拟的复制品替代原物。

实现途径：

用便宜的物品代替贵重的物品，对性能稍作让步。例如，一次性水杯代替陶瓷、金属水杯，省去清洗还卫生；用塑料制作的假花或盆景代替鲜花或用鲜花制作的盆景，可以长期使用，利于清洗。

【模拟警察代替真警察】

警察不可能全天24小时或在任何气候条件下都在路边或路口执勤，于是就出现了代替真人警察的在路边或路口“执勤”的模拟警察。但早期的模拟警察大都是用水泥或其他材料塑个身子骨，再刷一层漆当衣服，而这样的“稻草人”起不到交警纠正违章、指挥交通的作用，风刮雨淋后还会衣衫斑驳、遍体鳞伤。如果用动态模拟警察，可进行视频录像、图像抓拍、雷达测速、识别车牌，还可自由挥动带有指示灯的指挥棒指挥车辆的停和行。

28.机械系统的替代（replacement of mechanical system）

基本思路：在系统设计原理方面用其他原理代替力学原理。

实现途径：

（1）用光学、声学、味学等设计原理代替力学设计原理。例如，感应水龙头利用光学原理替代力学原理，省力的同时节约水资源；感应门也是利用光学感应来开门，方便省力。

（2）用电场、磁场和电磁场同物体相互作用。例如，电磁炉的工作原理就是用电场、磁场和物体相互作用来加热食物。

【声光控开关】

楼道内常用的照明灯的声光控开关就是应用这个原理，它主要由一个感光元件加上一个感声元件组成：感光元件长开，天黑没光时闭合；感声元件当有人走过楼道有声音时开启灯光，一定时间延迟后自动关闭，既方便又节能。

29.气压或液压（pneumatic or hydraulic construction）

基本思路：在压力较大时为了减小震荡可用气压或液压的原理代替。

实现途径：

（1）用气体结构和液体结构代替物体的固体部分。例如，消防救生用的充气气垫；汽车的液压减震器；又如高档球鞋的鞋底中使用气垫，能够给脚部提供很好的缓冲。

【安全气囊】

使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952年美国汽车生产者联合会就阐述了这种汽车安全系统的必要性。通常在家用小轿车上至少装有两个安全气囊，一个安装在驾驶盘上，一个安装在前排乘员的前面。有的汽车还装有侧面气囊，它或者装在车门上，或者装在座椅靠背上。气囊用尼龙制成，材料厚度为0.45毫米。为了保证气囊的气密性，在其内表面涂覆薄薄一层合成橡胶或硅橡胶。在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。这点十分重要，否则，人会被气囊推向后面或被气囊挤住而受伤。

30.软壳或薄膜（flexible films or thin membranes）

基本思路：为了增加柔性等条件可将原刚性的结构设计成软壳或薄膜。

实现途径：

（1）利用软壳和薄膜代替一般的结构。例如，奥运会“水立方”游泳馆的外形结构；太阳能薄膜电池等。

（2）用软壳和薄膜使物体同外部介质隔离。

【水上步行球】

游乐园中的水上步行球将人体与水隔离，使人能够体验在水中行走的乐趣。

31.多孔材料（porous materials）

基本思路：使物体变为多孔或加入多孔性的物体。

实现途径：

（1）把物体做成多孔的或利用附加多孔元件（镶嵌、覆盖等）。例如，将煤块制作成蜂窝状，便于煤的充分燃烧，能够释放更多热量。

（2）如果物体是多孔的，事先用相应物质填充空孔。例如，为了消除给电机输送冷却剂的麻烦，电机蒸发冷却系统的活动部分和个别结构元件由多孔材料制成，例如用渗入液体冷却剂的多孔粉末钢，在机器工作时冷却剂蒸发，从而保证了短时、有力和均匀的冷却。

【矿泉水设备中的多孔材料】

矿泉水设备是利用多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。矿泉水设备在压力驱动下，溶液中水、有机低分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同组分的目的，矿泉水设备产出来的水就是我们通常所说的矿泉水。

32.变色（changing the color）

基本思路：为了方便观察或引起注意，可以通过改变物体颜色或采用荧光粉的方法。

实现途径：

（1）改变物体或外部介质的颜色、透明度。例如，彩色荧光棒；在街道上经常看见的荧光灯等。

（2）为了观察难以看到的物体或过程，利用染色添加剂；如果已采用了这种添加剂，则采用荧光粉。例如，交通警察的警服通常添加明显标志和荧光粉，有利于在黑暗的环境中警察醒目、安全。

【高速公路的荧光牌】

大家都知道，高速公路上通常是没有路灯的。汽车晚上在高速公路上行驶全靠道路两旁每隔一定距离设置的荧光牌，荧光牌上面的漆或涂层或贴纸都由一些特殊材料组成，微观上看就是表面布满有无数极细小的透明玻璃球。它们的作用就是通过折射原理将某方向射来的光线沿来的方向反射回去，因此你的车灯照上去，它们把光向着你的方向反射回来，所以你就能看清路。但有趣的事情就是它只返回原来的方向，所以如果你旁边有行人的话，他就不会看见指示牌有反光的感觉，你觉得指示牌亮，他却没感觉。

33.同质（同化法）（homogeneity）

基本思路：两个相互作用的物体采用相同或相近性质的材料制成以达到最佳效果。

实现途径：

（1）同指定物体相互作用的物体应当用同一（或性质相近的）材料制成。例如，用金刚石来切割钻石；螺丝与螺帽为保证耐用性与稳定性，采用同一种钢材料。

【固定铸模方法】

获得固定铸模的方法是用铸造法按芯模标准件形成铸模的工作腔。其特征是为了补偿在此铸模中成型的制品的收缩，芯模和铸模用与制品相同的材料制造。

34.抛弃与再生（rejecting and regenerating parts）

基本思路：部分剔除无用的物体，并再生成有用的东西，以便重复使用。

实现途径：

（1）已完成自己的使命或已无用的物体部分应当剔除（溶解、蒸发等），或在工作过程中直接变化。例如，自动铅笔的笔芯可以随时被折断，再按出新的笔芯；壁纸刀可以将不锋利的刀片抛弃，再推出新的刀片。

（2）消除的部分应当在工作过程中直接再利用。例如，塑料瓶回收消毒后可再次使用；将玻璃碎片回收制成新玻璃等。

【多级火箭】

随着人类逐渐进入深空探测和空间飞行器的功能增多，要求火箭具有更大的运载能力，因而出现了多级火箭。简单地说，多级火箭就是把几个单级火箭连接在一起形成的，其中的一级火箭先工作，工作完毕后与其他的火箭分开，然后第二级火箭接着工作，依此类推。多级火箭的优点是每过一段时间就把不再有用的结构抛弃掉，无需再消耗推进剂来带着它和有效载荷一起飞行。因此，只要在增加推进剂质量的同时，适当地将火箭分成若干级，最终可以使火箭达到足够大的运载能力。

35.性能转换（transformation properties）

基本思路：改变物体的性质，这里包括的不仅是简单的过渡，例如从固态过渡到液态，还有向“假态”（假液态）和中间状态的过渡。

实现途径：

（1）改变系统的浓度、密度、温度或体积等物理状态。例如，人们发现液体胶水不便于使用和携带，于是发明了固体胶。

（2）改变灵活程度。例如，酒心巧克力、生活中用的洗手液等。

【“浴盆”形飞机降落跑道】

飞机降落跑道的减速地段建成“浴盆”形式，里面充满黏性液体，上面再铺上厚厚一层弹性物质，就是利用了性能转换原理来达到减速目的。

36.相变（phase transition）

基本思路：利用物体相态变化或形状变化时发生的现象产生需要的作用。

实现途径：

（1）利用相变时发生的现象（如体积改变、放热或吸热）。例如，水凝固时体积膨胀；借助蜡烛的燃烧来获得光源；弹簧利用形状的改变举起重物；加湿器利用水蒸发来增加室内的湿度。

【热蒸发型加湿器】

热蒸发型加湿器又叫电加热式加湿器，其工作原理是将水在加热体中加热到100℃产生蒸气，用电机将蒸气送出，蒸气再凝结成水以增加室内的湿度。

37.热膨胀（thermal expansion）

基本思路：利用在升温或降温的过程中有膨胀或收缩的物料制成仪器，或利用物体的热胀冷缩原理解决问题。

实现途径：

（1）利用物体热胀冷缩的性质。例如，温度计利用热胀冷缩的原理测量温度。

（2）利用一些热膨胀系数不同的材料。例如，热气球因热膨胀而升空；利用热膨胀将扁的乒乓球恢复原样。

【利用热胀原理打开瓶盖】

当螺旋瓶盖拧不开时，可用电吹风或小火焰烘烤瓶盖周围使其受热膨胀，再用干布包住瓶盖用力将其旋开。

38.加速氧化（accelerated oxidation）

基本思路：为了安全、杀菌、便于生产等需要，利用强氧化剂代替普通空气。

实现途径：

（1）用富氧空气代替普通空气；用纯氧替代富氧空气。例如，潜水员用的氧气瓶；炼钢中使用的强氧化枪，利用纯氧提高火焰的温度，便于切割作业。

（2）用电离辐射作用于空气或氧气，用臭氧替换离子化的氧气。例如，臭氧灭菌灯内的臭氧发生管在电场作用下，将空气中的氧气转换成高纯臭氧，依靠其强大的氧化作用而杀菌。

【高压氧疗法】

高压氧疗法是将病人置于高压环境中（高压氧舱内）吸氧以治疗疾病的方法，高压氧可提高血氧张力、增加血氧含量，使组织内氧含量和储氧量相应增加。血氧弥散及组织内氧的有效弥散距离的增加，可有效地改善机体缺氧状态，治疗因缺氧所导致的一系列疾病，如一氧化碳中毒、急性脑缺氧等。高压氧对血管有收缩作用，可减少血管渗出，改善各种水肿，如脑水肿、肺水肿、肢体肿胀、创面渗出等。高压氧对厌氧菌的生长繁殖有明显的抑制作用，故对气性坏疽等厌氧菌感染性疾病有良好疗效。高压氧对进入人体内的气泡有压缩作用，故对于减压病、气栓症等有特殊效果。此外，高压氧还可与放疗和化疗起协同作用，增强放疗和化疗对恶性肿瘤的疗效。

图4－12　我国目前容量最大的高压氧舱外观全景，该高压氧舱可同时供50人接受治疗

39.惰性环境（inert environment）

基本思路：在物体中添加惰性或中性添加剂，以使通常的环境转换为更安全的惰性环境或真空环境。

实现途径：

（1）用惰性介质代替普通介质。例如，在电灯泡内充入惰性气体，防止灯丝过快氧化；油气弹簧以惰性气体氮作为传力介质等。

（2）在真空中进行某过程。例如，真空包装食品可以延长保质期。

【高保真音响】

高保真音箱箱体内常处于急剧变化的高声压中，极易诱发杂音、谐振，造成音染，影响重放音乐的纯美，因此制作工艺十分重要。例如在箱内添加适量吸声材料，如超细玻璃棉、矿渣棉、纤维喷胶棉、真空棉，次者如泡沫海绵、棉絮、棉纸、柔软的卫生纸，有利于吸收声能，控制音箱Q值，同时减轻箱振。对于密闭箱，需塞满整个箱体；对于倒相箱，前后左右上下壁敷三指宽厚的吸声材料，并于监听时作适量增减，以恰好抑制谐振峰为准。

40.复合材料（composite materials）

基本思路：由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

实现途径：

用复合材料替代单一材料。例如，现在很多的新材料（如笔记本电脑的外壳、复合地板、合成橡胶轮胎等）都采用混合材料，可以增加强度、美观度和韧度等。

【复合材料在航空上的应用】

先进复合材料具有高强度、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，应用先进复合材料可以显著提高战斗机的作战性能。为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入20世纪90年代后，西方的战斗机无一例外地大量采用复合材料结构，用量一般都在25%以上，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F－22复合材料用量已达到24%，EF2000更是高达43%，EF2000除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料，结构“湿润”表面的70%为复合材料，而F－35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。

创新思考题

4.1　汉语由汉字组合而成，同样几个汉字，如果组合的次序不同，表达的意思就可能有所不同甚至完全不同。请你将“羊吃山上小草”中的六个汉字改变组合次序进行重组，以产生相似或不同的意思（如“小羊上山吃草”等），列举六种以上不同的组合。

4.2　将事物一分为二的方法有许多（如用锯子锯、用手掰等）。请你再列举至少五种以上将事物分割的方法。

4.3　两种东西联结在一起的方法有许多（如用绳子捆、用胶水黏等）。请你再列举至少五种以上的联结方法。

4.4　利用给物体“充气”的方法，开发新产品，提出若干创新设想（如充气枕头等）。

4.5　利用将物体“伸缩”的方法，开发新产品，提出若干创新设想（如可伸缩的教鞭等）。

4.6　利用将物体“折叠”的方法，开发新产品，提出若干创新设想（如折叠自行车等）。

4.7　以“手表”为创新对象，利用组合原理，通过“以添促变”进行创新，提出若干个创新方案（如“手表＋指南针＝带指南针的手表”等）。

4.8　从创新的角度，说说田忌赛马的故事给你哪些启发？

【田忌赛马】

齐王与田忌赛马，每次都是田忌输，因为齐王每一等级的马都要比田忌的马优良。孙膑为田忌出主意，用田忌的下等马对齐王的上等马，中等马对齐王的下等马，上等马对齐王的中等马，结果田忌以二胜一负赢了齐王。