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创新技法之联想类比型技法

发布作者:国华 发布时间:2008-11-16 浏览次数:10379 文章评论:0

  
  联想类比型技法

事物间的联系是普遍存在的。正是这种联系,我们的思维得以从已知引向未知,变陌生为熟悉。期间,我们脑内发生的联想和类比过程可以看作是事物普遍联系在思维中的一种体现。

显然,发明创造所追求的是新颖未知的事物,应该是人们暂时还是陌生和不了解的。为此,需要借助于现有的知识与经验或其他已经熟悉了的事物作桥梁,获得借鉴启迪。这,就是联想类比在创新中的非凡作用。

广泛的兴趣、宽厚的知识、灵活的思维是有效运用联想类比技法进行创新的必要条件。第一节  类比概述

一、类比的特点与作用

类比是指不同事物或现象在一定关系上的部分相同或相似。通过两个(两类)对象之间某些方面的相同或相似推出其他方面的相同或相似的方法称为类比法。类比法在科学研究、技术创新和各种创造活动中均有用。

类比是以比较为基础的。人们在探索未知世界的过程中,可以借此把陌生的对象与熟悉的对象、将未知与已知相对比。推而广之,许多在质上虽不同的现象,只要它们服从相似的某些规律,就往往可以运用类比法来研究。这样,由此物及于彼物、由此类及于彼类,可以启发思路、提供线索、触类旁通。正如康德所说:“每当理智缺乏可靠论证的思路时,类比这个方法往往能指引我们前进。”

研究指出,选作类比的对象与原问题的差异越大越好,这样获得的创造性设想才更富新颖性。

二、四种基本的类比方式

美国创造学家戈登对创造过程中常用的类比进行了分析研究,总结了最基本的四种类比方式,对创造学的发展产生很大的影响。

1.拟人类比

拟人类比又称感情移入、角色扮演。在创造发明活动中,发明者把自己设想为创造对象的某个因素,并由此出发,设身处地作想象。例如,当我是这个因素时,在所要求的条件下会有什么感觉,或会采取什么行动。

在机械设计中,“拟人化”的构思常会收到满意的效果。如挖土机可以用模拟人体手臂的动作来进行设计,它的主臂如同人的上下臂,可以左右上下弯曲,挖斗似人的手掌,可以插入土中,将土抓起。机器人的设计也主要是从模拟人体动作入手的。在设计桔汁分离器以前,设计人员把自己想象成一个桔子的桔汁。然后问道:“我怎样才能从桔子里出来呢?”显然要冲破桔子皮的包围。“怎么冲呢?”回答是:通过压榨,给我加大压力,让我有力气挤破桔子皮;通过加热或降温使桔子皮强度减弱,以便容易挤出;用旋转的办法,通过离心力增加我的力量冲出桔子皮;以及其他办法。

拟人类比同样可用于科学发明,克库勒在朦胧中想象苯分子结构时,由于感情移入,感到自己就是个苯分子,并象条蛇一样咬住了自己的尾巴,据此悟到苯分子是碳原子的环结构,而并非一般的碳原子链结构。
 
2.直接类比

从自然界或已有的成果中寻找与创造对象相类似的东西作比较为直接类比。如古代巧匠鲁班发明锯子就是从草割破手指而得到的启发。要设计一种水上汽艇的控制系统,人们可以将它同汽车类比。汽车上的车灯、喇叭、制动器等控制方式皆可适当改革后用于汽艇;武器设计师通过分析鱼鳃启闭的动作,设计成枪的自动机构;而农机师看了机枪连射发明了机枪式播种机;法国滑翔机专家奥托?利伦撤尔以《鸟类飞行——航空的基础》命名他的专著;美国飞机发明家莱特兄弟以他的“谁要飞行,谁就仿鸟”作为名言。

戈登曾以小组讨论自动售货机为例,说明直接类比的实际应用。当时要求售货机的出货口必须设计成发货时张开,用完后闭合,那么,自然界中有哪些活动像售货机要求的那种运行方式?小组成员讨论的意见如下:

A:蚌从它的外壳中伸出脖子……又缩回去紧紧关上外壳。

B:是这样,但蚌壳是一种皮骨骼,蚌的实际部分,即蚌的实际组织是在内部。

C:那有什么不同呢?

A:蚌没有自己清扫的功能,只是缩进蚌壳有保护作用。

D:还有别的类比么?

E:人的嘴如何?

B:人的嘴能做什么?

E:吐痰……嘴里任何东西都可以吐出来……有时候吐东西时会有部分滴到下巴上。

A:能否训练嘴吐物时不弄脏下巴呢?

D:我小时候是在农村长大的,常常和马在一起。当马拉粪时,它的肛门会张开,然的排出马粪球,之后,肛门又重新闭合,整个过程干净利索。

E:如果马腹泻会怎么样?

D:当马吃的谷物过量时,就会发生这种情况。但马会在很短时间内收缩肛门口……在瞬间挤出液体……然后又关闭肛门。

B:你描述的是种塑性运动。

D:我推测可以用塑性材料来模拟马的肛门。

后来,自动售货机研制小组受此启发创制了一种和上述类比特性完全相同的产品。

3.象征类比

这是借助具体的事物形象和象征符号来比喻某种抽象的概念或思想感情的类比。象征类比是直觉感知的,在无意的联想中一旦作出这种类比,这就是一个完整的形象。针对待解决的问题,用具体形象的东西作类比描述,使问题形象化、立体化,为创新开拓思路。

以下列出几个典型的事物与其象征意义的联想关系,它们不仅在发明创造,而且在绘画、雕塑、电影、建筑等领域的创新上很有启发作用。

棘轮机构——可靠的问题

固态——强制集合
森林火灾——渐进的毁灭

机枪点射——连贯的间歇

靶子——愿望的焦点

橄榄树——和平

大炮——强权、战争

电脑——高科技

化石——远古

玫瑰——爱情

玉兰——纯洁

幼芽——婴儿

婴儿——希望

绿叶——生命

书籍——知识

钢铁——坚强

日出——新生

兰色——大海

 

象征类比在建筑设计中应用甚广。如,设计桥梁要赋予“虹”的象征格调;设计纪念碑、纪念馆要赋予“宏伟”、“庄严”的象征格调;而设计展览馆、音乐厅、歌舞厅则要赋予“艺术”、“幽雅”的象征格调。被誉为中国第一高楼的上海金茂大厦则是融合了多层象征含意:其外形象竹笋——象征着节节攀升;象宝塔——富有民族气息;象一枝笔——在兰天描绘着未来。整座大厦的设计数据与中国人喜欢的“8”字相连——总高88层,中间是8角形混凝土核心、周边是8根巨型钢柱、塔式建筑的向上收缩点均位于与8有关的楼层上……,以“8”象征着兴旺发达!

4.幻想类比

幻想类比亦称空想类比或狂想类比,它是变已知为未知的主要机制,但无明确定义。

戈顿认为,为了摆脱自我和超自我的束缚,发掘潜意识的本我的优势,最好的办法是“有意识的自我欺骗”,而幻想类比就能发挥“有意识的自我欺骗”作用。简言之,就是利用幻想来启迪思路,古代神话、童话、故事中的许多幻想,在技术逐步发展之后很多已变为现实。

西方社会有个“愚人节”,在这一天里,人们可以信口开河,任意取乐。某年,有人开心地说把牛体内的基因移植到番茄上,结果咬一口通红的番茄,竟有香喷喷的牛肉味。猎奇的记者把这一“戏言”作为取悦人们的新闻报道出来。说者无意,听者有心。谁也没想到一些科学家却认为,这在理论上说得通,而且认直地进行了研究。加拿大生物学家丹?莱弗伯夫博士经过两年努力,成功地把哺乳动物体内的基因移植到植物上,跨越了动植物之间基因移植的鸿沟。

在上述四种类比中,直接类比是基础,其他三种类比是由此发展而成的。这四种类比各有特点与侧重,它们在创造创新活动中相互补充、渗透、转化,都有着不可或缺的作用。

 

第二节  综摄法

美国麻省理工学院的威廉?戈顿教授在长期研究和实验的基础上,于1952年提出了一种独特的创造技法——综摄法,或称提喻法、分合法、集思法。

一、原理与特点

综摄法(cynectics)这个词来自希腊文。原意是指把表面上互不相关的各种不同事物结合在一起。综摄法通过已知的东西为媒介,将毫无关连、不同的知识要素结合起来,以打开“未知世界的门扉”,激起人们的创造欲,使潜在的创造力发挥出来,产生众多的创造性设想。

戈顿确认

(1)人类的创造过程是可知的,是能够具体描述的,如果人们理解他们进行创造活动的心理过程,那么其创造效率会大大提高。

(2)创造作为文化现象在艺术与科学中是相似的,而且都可以用同样的基本心理过程来表征。在任何一种创造过程中,情绪因素比理智因素更重要,非理性因素比理性因素更重要。而且,这些情绪因素和非理性因素,是可以理解的。

(3)在创造活动中,人们创造性主要来自潜意识。即人们创造性能力处于潜在(封闭)状态,它是可以被开发的。

综摄法是一种理论化程度高、技巧性强、效果显著的创造技法。通常此法以小组讨论会的形式进行,但也可以个人使用。

二、基本原则

黑格尔曾讲过:“假如一个人能看出当前即显而易见的差别,譬如,能区别一枝笔与一头骆驼,则没有人会说他了不起、聪明。同样,一个人对两个相似的事物,如橡树和槐树、寺院与教堂,知其相似之处,我们也不会认为此人非同寻常。我们所要求的,是要能看出异中之同和同中之异。”

戈顿教授认为,联想与类比是实现从已知到未知的有效办法。他主张,为了摆脱旧框框的束缚,开阔思路,在探索新的设想时,要有一段时间暂时抛开原来想要解决的问题,通过类比探索得到启发。因此,这就是一个“变陌生为熟悉(异中求同)”和“变熟悉为陌生(同同求异)”的过程。

综摄法的两个基本原则是:

1.变陌生为熟悉(异中求同即异质同化)

戈登认为,人的机体本质上是保守的,任何陌生的东西或概念对其都是威胁。当碰到陌生的事物时,人的心理总是设法将它纳入一个可接受的模式中去,以便逐步理解。所谓变陌生为熟悉就是在头脑中把给定的陌生事物与以前熟悉了解的事物进行比较,籍此把陌生的事物转换成熟悉的事物。例如,计算机领域的术语“病毒”、“千年虫”、“黑客”等都是利用人们较熟悉的语言来描述计算机专业的事物或现象,其实质就是“异质同化”的例子。

2.变熟悉为陌生(同中求异即同质异化)

对已有的各种事物,选用新知识或从新的角度来观察、分析和处理,使看得习惯了的东西变成看来新鲜的东西,把熟悉知的事物变成陌生的事物。例如,拉杆天线本来是用在收音机上的,将它换个新位置去应用便出现了可伸缩的教鞭、照相机的伸缩三角架、可伸缩的旅行手杖等。另外象将保温瓶缩小,改变瓶口,成为保温杯这都是同质异化的产物。

三、实施过程
综摄法在以小组集体创新时,要求由不同知识背景、不同气质的人组成小组,相互启发,集体攻关。小组一般由5-7人组成。例如1952年在小阿瑟公司开展综摄法创新时的小组成员有:一个对心理学有兴趣的物理学家、一个电气工程师、一个对电子学有兴趣的人类学家、一个兼有工业工程基础的书画艺术家、一个有化学基础的雕塑家。该公司的另外一些综摄法小组成员包括画家、雕塑家、数学家、广告家、物理学家、化学家、演员、力学工程师、建筑学家、电气工程师、市场管理员、化学工程师、社会学家、生物学家、生理学家、音乐家、人类学家、心理学家等。其成员特点是跨学科、超领域,广泛交叉渗透。这就是类比创造技发更好发挥作用的重要因素。

戈登把实施综摄法的全过程分为9个阶段:

(1)问题的给定。

(2)变陌生为熟悉。

(3)问题的理解(分析问题,抓住要点)。

(4)操作机制(发挥各种类比的作用)。

(5)变熟悉为陌生。

(6)心理状态(关于问题的理解达到卷入、超脱、迟延、思索等心理状态)。

(7)把心理状态与问题结合起来(把最贴切的类比与已理解的问题作比较)。

(8)观点(得到新见解、新观点)。

(9)答案或研究任务(观点付诸实践或变为进一步研究的题目)。

四、创新示例

用综摄法寻求发明一种比传统屋顶更灵活耐用的新型屋顶的创新思路。

对问题的分析表明:

一种在夏天呈白色、在冬天呈黑色的屋顶可能有经济效益。白色屋顶在夏天可以反射太阳光线,这样就可以降低空调的成本。黑色屋顶在冬天能够吸热,这样就可以把取暖的成本减至最低限度。下面是关于这个问题的综摄法会议的一部分对话:

A:在自然界中什么东西是变色的?

B:黄鼠狼——在冬天是白色,在夏天是棕色:伪装。

C:对是对,但黄鼠狼在夏天必须脱掉白毛才能长出棕色的毛来……不能一年换掉两个屋顶。E:非但如此,黄鼠狼的脱毛也并非是自发的,而且黄鼠狼一年只变两次颜色……我认为我们的屋顶应当利用太阳的热来改变颜色……在春天和秋天里也能改变颜色。

B:好变色的蜥蜴怎样?

D:这是一个很好的例子,因为它在没有脱皮或脱毛的情况下能使其颜色变来变去。

E:变色蜥蜴怎样变颜色?

A:……比目鱼也一定以这种方式改变颜色。

E:什么?

A:嘿!如果比目鱼躺在白色沙子上,它就变成白色,如果它在黑色的沙地……泥地上面,它就变成黑色。

D:上帝保佑,你是正确的,我碰巧见过这种情况!但不知它是如何变色的?

B:色素细胞。我不能肯定它是自发的还是非自发的……等一等,它既带一点自发的特性,又带有一点非自发的特性。

D:它是怎样起作用的?我还没有弄明白。

B:你想得到详细的说明吗?

E:是的,教授,请继续讲下去。

B:好,我来给你详细分析一下。我认为,比目鱼的颜色从暗到亮又从亮到暗的变化不应说成是“颜色”的变化,因为,虽然比目鱼有一点褐色和黄色,但在它的注册中……无论如何也没有蓝色或红色,这种变化部分是自发的,部分是非自发的,是一种自动与环境条件相适应的反射作用。这种转换的工作原理是:在它的真皮的最深层是黑色色素。当黑色色素靠近表皮的表面时,比目鱼就为黑点所覆盖,这样看起来就好像是黑色……这就像一幅印象主义的画一样,在画的整个轮廓上轻轻涂上一点颜料,就显现出总的画面。只有当你靠近时才能看见那一点点轻涂的颜料。当黑色色素退回到色素细胞的底部时,此时,比目鱼就呈现出白色……你还想了解一下细胞生发层和乌嘌呤吗?与此相比,没有什么东西会使我产生更大的兴趣了……

C:你知道,我有一种很笨的想法。我们整个逆转比目鱼的类比,把它用于屋顶问题上……我们制成一种黑色的屋顶材料,只是在这黑色材料中埋有微小的白色小球。当太阳出来屋顶变热时,小白球按波伊尔(Bovle)定律膨胀,露出于黑色盖屋顶材料的表面。现在屋顶是白色的,这恰好是按照英国的方式反转了比目鱼的变色机制。比目鱼是色素细胞着黑色部分达到皮肤表面吗?对。对于我们的屋顶来说,当屋顶变热时将是着白色的塑料达到表面。解决这个问题有许多方式。

由B所传授的动物学知识并不是天真或幼稚的。以比目鱼作类比是以技术洞察力为后盾的,没有这种技术洞察力就不可能有新观点。

我们结合上述例子,试给出各段解释。

(1)问题的给定:为了简明起见,我们假定问题是给定的。

问题的给定就是向负责解决这个问题的人说明问题。说明的结果可能是对事情的精确描述,也可能掩盖和混淆了基本问题。这常常意味着出现可能正确也可能不正确的许多假设相互连接起来的迷宫。在屋顶那个例子中,给定的问题是要发明一种新的屋顶。

(2)变陌生为熟悉:任何问题,不管是否老得像一个陈腐的故事,在下述意义上仍是陌生的,即倾全力去分析会揭露出以前没有暴露的要素。在这个阶段,用不着多花力气去弄清对立的要素的全部真相。在屋顶那个例子中,变陌生为熟悉采取了分析的形式,揭露出传统屋顶的功能以及缺点。

(3)问题的理解:这个阶段主要是消化给定的问题。在屋顶那个例子中,对问题的理解就是要发明一种随着周围的温度和阳光变化,会从白色变成黑色又会从黑色变成白色的屋顶。

(4)操作机制:发挥类比(隐喻)的作用,这是与问题的理解相联系的,并由问题的理解唤起的。这个阶段把已理解的问题从僵硬的形式和规则中拉出来,并把这推到能够提供一些概念的事物中去,由此能够发展对问题的理解。在屋顶这个例子中,实际应用的机制是直接类比——比目鱼。然而,典型的综摄法会议其机制是几种类比是相互联系的,一个引起另一个。
(5)变熟悉为陌生:在这个阶段,机制已完成任务,而问题的理解看上去是陌生的。它呈现一种有趣的模型就如从未见过的。在屋顶那个例子中,与比目鱼类比,促使小组以一种陌生的新方式去考虑屋顶——就像它是比目鱼的背部。

(6)心理状态:关于问题的理解最后达到卷入、超脱、迟延、思索和平淡等心理状态,综摄法理论相信这些状态无疑是描述了最有助于创造活动的状态。在屋顶那个例子中,借助机制而进入的特殊状态是卷入(比目鱼)和迟延——不直接做出结论,不落入已知的屋顶的旧套套,不急于做出答案。

(7)把心理状态和问题结合起来:一旦通过机制达到这种心理状态,就要在概念上把最贴切的类比与已理解的问题作比较。在这个阶段,问题的理解已从旧的僵硬的形式中解放出来。

(8)观点:把屋顶看作比目鱼的背部,并使其有可能研究出关于屋顶的技术见解,并将解决已理解的问题——这就是观点阶段的具体内容。每次从机制的运用中所得到的类比,与已理解的问题作比较,就有一个新观点,这个观点是潜在的可能性而不一定是真实的。在屋顶那个例子中,把屋顶看作比目鱼的背部而得出的观点确实导致一个技术见解,即怎样把屋顶做成在特定时刻由白色变成黑色。

(9)答案或研究任务:在这个阶段,观点按照基本原理的试验情况而付诸实践,或者观点可能变为进一步研究的题目。这个阶段的活动取决于观点如何实施:是以新的方式与已知的材料相结合呢,还是必须去开发新的材料?

第三节  移植法

一、基本原理

所谓“移植法”是将某个领域的原理、技术、方法,引用或渗透到其他领域,用以改造或创造新的事物。移植法也称“渗透法”。

从思维角度看,移植法可说是一种侧向思维方法。它通过相似联想、相似类比,力求从表面上看来仿佛是毫不相关的两个事物或现象之间,发现它们的联系。

澳籍英国剑桥大学教授贝弗里奇说:“移植是科学发展的一种主要方法。大多数的发现都可应用于所在领域以外的领域,而应用于新领域时,往往有助于促成进一步的发现。重大的科学成果有时来自移植。”实际上,许多创造活动都可借助于移植。

在科学技术发明史上,移植创造法造就了大批“外行”发明家:液压变矩器和液压联轴节是船舶电气工程师发明的;汽油防爆添加剂四乙基铅是机械工程师发明的;现代复印技术由一位专利法律师发明;发明圆珠笔的是画家和化学家;莫尔顿式自行车发明者是航空发动机工程师,而最早的自行车是医生发明的……。

二、主要途径

1.原理移植

无论是理论还是技术,尽管领域不同,但常可发现一些共同的基本原理。因此,可根据不同的要求和目的作移植创造。如红外辐射是一种很普通的物理过程,凡高于绝对温度零度的物体,都有红外辐射,只是温度低时辐射量极微罢了。可这一原移植到其他领域,可产生新奇的成果:有红外线探测、遥感、诊断、治疗、夜视、测距等。在军事领域则有红外线自动导引的“响尾蛇”导弹,装有红外瞄准器的枪械、火炮和坦克,红外扫描及红外伪装等等。

2.方法移植
 
17世纪的笛卡尔是科学方法移植的先驱。他以高度的想象力,借助曲线上“点的运动”的想象,把代数方法移植于几何领域,使代数、几何融为一体而创立解析几何;美国阿波罗Ⅱ号所使用的“月球轨道指令舱”与“登月舱”分离方法,实际上就移植于巨轮不能泊岸时用驳船靠岸的办法;现代管理方法中的行为学派是将心理学原理移植到企业管理方法中而形成的;照像技术被移植到印刷排字中便形成了先进的照像排版技术。另外在科学研究中常用的一些方法如观察法、归纳法、直觉法等都可以移植到技术创新中去。

3.回采移植

历史表明,许多被弃置不用的“陈旧”事物,只要用现代技术之神赐予的新东西(主要为材料、技术、信息控制技术)加以改造,往往会导致新的创造。如帆船是古代船舶的标志,但又出现在80年代。至今,东西方竟有20多个海洋国家成立了“风帆研究所”。现代风帆是以计算机设计,具有最佳采风性能和推进性能。其制作材料已从尼龙发展到铝合金,帆的控制也是自动化的。所以现代帆船并非“扁舟孤帆”,而是万吨巨轮,有些帆船速度可与快艇媲美,加上节能、安全、无噪音、无污染等独特优点而深受器重。又如,弩是古代技术的精华,它在17世纪就趋于没落,今天却又重现光辉:箭——箭镞是锌铬合金制成,弩装备——具有可变焦距瞄准镜。箭镞在50米内能洞穿一迭电话簿厚的汽车外壳;在300米内能象步枪一样准确地射杀目标,但却保留其祖先的优点:悄然无声。

4.功能移植

系指把诸如激光技术、超声波技术、超导技术、光纤技术、生物工程技术以及其他信息、控制、材料、动力等一系列通用技术所具有的技术功能,以某种形式应用于其他领域。如采用液压技术便可较好地解决远距离传动的问题,且简化机构并操作方便;电子计算机的应用则使机械加工程序化、自动化;若将遗传工程移植至机械工程则将形成更大的变革——出现生物机构;在自然界,河川中夹杂的有机物流入海洋并不会使其受污染,原来海洋中生长着能消化有机物的净化细菌,有机物经它消化后变成水和一氧化碳。环保专家将此功能移植于废水处理——引进净化细菌让它大量繁殖,以达到去污变清的目的。这就是目前污水处理的活性污泥处理法。

第四节  仿生学方法

一、基本原理

通过模拟生物的结构或功能原理而导致发明创造的途径称为仿生学方法(或生物模拟法)。1960年秋,在美国召开的第一次仿生学会议上,把仿生学定义为:研究生物系统,制作模拟其卓越机能的装置的科学技术领域。今天,仿生学已成为现代技术发明的重要途径之一。“生物原型——新技术的钥匙”这句著名格言,恰当地描述了现代创造发明的这一重要途径。生物原型成为现代发明的源泉,是有其内在根据的。从社会需要方面来说,人类虽然凭借自身的智慧创造了各种各样的技术装置,但这些装置不仅日益复杂和昂贵,而且其可靠性和效率也远远不能满足工业、农业、医学,特别是空间技术和军事技术越来越高的要求,这就迫使人们去寻找崭新的技术原理。从生物自身来说,在亿万年的漫长进化中,通过自然选择,形成许多卓有成效的导航、跟踪、计算、生物合成、能量转换、力学结构、运动机构等系统,其小巧性、灵敏性、快速性、高效性、可靠性和抗干扰性等,使人工创造的所有技术装置都相形见拙。例如,人脑有100—150亿个神经元,但每小时约有1000个神经元发生障碍,一年之内就差不多有900万个神经元丧失机能。然而,令人惊叹的是,大脑并没有因此而丧失其各种机能。可是,电子计算机却不行,只要其中任何一个元件损坏或发生故障,便会影响整个系统的工作性能。极而言之,在许多方面,电子计算机甚至不及昆虫的区区之脑。螳螂能在0.05秒的一瞬间,计算出飞掠眼前的小昆虫的速度、方向和距离,这是大型电子跟踪系统所望尘莫及的。随着科学技术的发展,自然界中生物系统的这些奇妙功能愈来愈为人们所认识和把握。

在科技史上,借助生物获得发明创造的例子不胜枚举。
 
青蛙的眼睛——跟踪导弹的“电子蛙眼”;

乌龟壳——小提琴;

企鹅——越野汽车;

蜂鸟——直升飞机;

鱼鳃——人造鱼鳃吸氧剂;

草履虫——带几千只小螺旋桨的潜水艇;

蛇的红外线定位器——夜视镜;

萤火虫——冷光源;

袋鼠——“跳跃式”极地汽车;

云杉——圆锥形电视塔;

蚊子——测向器;

水母——风暴预警器;

沙蟹——制图机;

鳄鱼眼泪——海水淡化器;

鲸鱼脊背——水下破冰船等等。

二、仿生技法

仿生技法的核心是研究对象(问题)与生物系统相关问题的类比。这一技法实施大体分为三步:

(1)根据生产实际提出技术问题,选择性地研究生物体的某些结构和功能,简化所得的生物资料,择其有益内容,得到一个生物模型。

(2)对生物资料进行数学分析,抽象出其内在联系,建立数学模型。

(3)采用电子、化学、机械等技术手段,根据教学模型,最终实现对生物系统的工程模拟。

三、仿生创新的几种主要思路

向生物索取技术原理,不仅具有令人陶醉和神往的光辉前景,而且所涉猎的内容也相当广泛。事实上,人类从仿生学的角度所作发明的例子是很多的。例如从鸟类想到飞机、从蝙蝠想到雷达、从犰狳想到坦克、从石龙子想到伪装色、从飞鼠想到降落伞、从乌贼想到推进器、从蝎子想到皮下注射、从鲍鱼想到吸盘、从贝壳想到建筑等等。根据仿生学的研究成果,向生物索取技术原理大致有如下几个方面:

1.信息仿生

主要是通过研究、模拟生物的感觉(包括视觉、听觉、嗅觉、触觉),智能以及信息贮存、提取、传输等方面的机理,构思和研制新的信息系统。马萨诸塞理工学院的研究者根据蛙眼的视觉功能,研制成功了虫检测仪器模型;斯坦福研究所的研究者模拟猫脑视觉领域中的直线“检测器”,研制了用来对机器人眼送来的信息进行处理的特殊计算机;狗鼻子素以灵敏著称,它能感觉200万种物质和不同浓度的气味,嗅觉比人灵敏一万倍。现在,人们以不同物质的气味对紫外线的选择性吸收为信息,研制成了“电子警犬”,用它来作检测,其灵敏度甚至可达狗鼻子的1000倍。

我国古代有则成语故事叫“瞎子摸象”,原意是讽刺看问题片面的人,但从另一方面却说明了同一事物从不同角度观察可获得各种不同的启迪。例如通过对蜜蜂筑巢的研究,人们模仿蜂巢已制造出自重轻、强度高的蜂巢夹层结构
(在B52轰炸机上就采用这种结构)。但如果再研究蜜蜂的定向能力、蜂群信息的传递方式等,则可获得另外的有益启示。再如,从蜂蜜的久藏而不变质是否能找到一种食品保鲜的新方法。现在甚至有人在研究蜂群的组织分工,以期在管理学上有所借鉴。

2.控制仿生

主要通过研究模拟生物的体内稳态(反馈调控)、运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落及人机系统的功能原理,来构思和研制新的控制系统。例如,人们根据蜜蜂的复眼能够利用偏振光导航的原理,发明了用于航空和航海的非磁性“偏光天文罗盘”。这种罗盘对于不能使用磁罗盘的高纬度地区,显示出了极大的优越性。人们还根据昆虫楫翅导航的原理,研制成功了一种振动陀螺仪,广泛应用于高速飞行的火箭和飞机上。

3.力学仿生

主要通过研究模拟生物的机械原理以及结构力学和流体力学的原理,构思和研究新的系统(包括机器、装置、力学结构以及人工脏器等)。例如,人体的大多数肌肉都是以“颉顽肌”的形式成对地排列的。这种利用两个产生拉力的“单向力装置”组成的双向运动机械系统,远比工程技术上惯用的一个推拉“双向动力装置”组织的系统优越得多。对颉顽肌的模拟,圆满地解决了各种“机器人”、“步行机”等的行走机构的设计。此外,人们还根据鱼类、鸟类的身体形状的流体力学特性,研制了各种各样的船舶和空间飞行物;根据蛋壳、乌龟壳、贝壳等弯曲表面,发明了建筑物上的薄壳结构;钢筋混凝土的发明者竟是与建筑材料无关的园艺师。这位法国的约瑟夫?莫尼埃看到植物的盘根错节、交叉成网的根系,能使松软的泥土坚实牢固,就于1865年,用铁丝仿照植物的根系织成网状构架,用水泥碎石浇制成了钢筋混凝土。

4.化学仿生

主要是通过研究模拟生物酶的催化作用、生物的化学合成、选择性膜和能量转换等,来构思和创造高效催化剂等化学产品、化学工艺以及新材料、新能源等。例如,人们为宇宙飞船设计的所谓“宇宙绿洲”——生态循环系统,就是通过模拟生物“电池”、光合作用转换的原理以及自然生态系统所创造出的。此外,在通过化学途径的人工模拟酶、人工模拟生物固氮、人工模拟光合作用等方面,也正在酝酿着新的重要突破。

5.技术仿生

在隧道工程中曾经得到广泛使用的“构质施工法”也是以生物为老师作出的发明。1820年,英国要在泰晤士河底建造隧道,由于土质条件很差,用传统的支护开挖法,因河底松软、渗水而易塌方,施工极为困难,工程师布鲁内感到一筹莫展。一天,他在室外无意中发现有只蠕虫在其外壳保护下使劲地往坚硬的橡树皮里钻。这使他恍然大悟:河下施工也可以象这种小虫找个保护壳——用空心钢柱打入河底,以此为“构盾”,边掘进边延伸,在构盾的保护下进行施工,此即“构盾施工法”。

6.原理仿生

苏联科学院动物研究所研究了地球上许多动物的运动后,模仿其运动原理设计研制了各种新颖的交通工具:按蜘蛛的爬行原理设计出军用越野车;根据蛇的爬行原理设计并改善了履带车的噪声;利用企鹅奔跑的原理设计了雪地汽车;甚至还准备参照袋鼠的运动方式来设计一种可以跳越障碍的越野车。

第五节  动作类比

这是由中国创造学会理事、同济大学副教授王滨提出的一种类比创新技法。

一、原理与特点
动作类比先以事物完成的共同动作为线索,在能够完成相同动作的事物之间进行类比,从而导致侧向移入或侧向外推等创造性设想的产生。

动作类比对于技术创新来讲有着特别作用,其原因是动作往往能反映一事物或技术装置的本质。亦即,任何事物都有自己特定的功能,或其功能目标就是要完成或实现某种“动作”。例如,雨伞可以“遮挡”,热水瓶可以“保温”;拉链能够“开合”;板凳可以“支撑”等等。这儿所述的“遮挡”、“保温”、“开合”、“支撑”就是事物的功能,也即事物所予完成的动作。

自然界中的事物往往存在这样的现象:有些在外形上、使用目的上和使用领域上相差很大的事物,却都以同一个动作为基础。如,热水瓶与电褥子虽然形状、材料和使用目的的各异,但物理原理上看,都在实现“保温”这一动作。拉链和插销也不是同类产品,人们通常在不同领域使用它们,但其本质机制则是实现“开合”动作。气球和拉杆天线更是风马牛不相及之物,但两者都可以“伸缩”。当一个技术项目需要“伸缩”这一动作时,气球的“伸缩”方式或许更能引导创新。

可见,抓住事物能共同完成的动作,以动作来作为类比的基础,由此为出发点,向各个领域、各个方面去寻找所要借鉴的原型,无疑为创新提供了很多思路。

现以一简单例子说明之:如何为我们的房子找到代替门窗的办法?

首先,可将问题重新表述为:“请寻找与‘开、关’动作有关的事物。”于是,列出了一长串的单子:

照像机的快门、眼睑、括约肌、花朵、嘴巴、阿里巴巴发现的强盗山洞、窗帘、思想、手、太阳升起与降落、夹子、火山口、书、贝壳、豆角皮、抽斗、锅盖等等。

之后,再分析这些事物实现“开合”动作的机理(制)、原理是什么,可否获得借鉴、启迪。譬如有些花朵在阳光下开放,在阴睛处凋谢,由此可联想到借助光控来开关门窗的新构思。

动作类比技法的要领是,问题的提出者一般不直接地如实描述问题,而是抽象出其中带有普遍性的“动作”问题,将问题转化,开阔思路。比如要想开发一种新型剪草机,若直接这么提问,则就会将思路框在“剪草”上,结果大致是在“刀剪”上动脑筋。所以此法要求将动作进行抽象,变成“切断”、“分离”之类的动作,启迪大家找到更多类似的事物。研究不同领域有关“分离”的办法与装置,可以摆脱专业束缚,获得突破性的创新。

二、实施步骤

动作类比技法的具体实施步骤,可以一框图加以说明。
三、创新示例

王滨以其发明的“公共汽车报站器”为例,对动作类比技法创新的运用程序提供了例析。1.提出问题

经常出差的人在他乡异地乘坐公交车时,由于路线不熟与语言的障碍等原因,总会担下错了站。为此,提出了个发明需求:怎么才能让乘客方便地知道前方到站;

2.抽取关键动作

这是开拓思路的关键。亦即要提出解决此问题的关键动作或关键方式,通常以一个动词或动

宾词来表述,如本例中的“报站”。有时,对同一问题可以抽象出几个不同的动词(词组),

并分别对应一种手段,以便有更多的类比结果。如本例中也可以再选“显示”——将站名以

适当方式显示出来。

3.搜寻能实现这一动作的各种装置

搜寻时可以个人凭经验进行多向发散思考或查阅资料书刊,也可以是小组讨论,相互启发补

充。

能实现“显示”动作的装置有:

(1)(以书写、印刷方式显示)路标、广告板、足球赛换人牌、球赛记分牌、标语、横幅、海

报……

(2)(以电力或电子方式显示)电视机、计算机显示屏、液晶、交通岗红绿灯、霓虹灯、广告

屏幕、理发店转彩条灯、电梯的楼层显示……

(3)(以光学方式显示)幻灯机、投影机、电影机、发光涂料、皮影戏、走马灯、激光器、信

号弹、火焰、烽火台……

(4)(以机械方式显示)钟表指针、汽车表盘指针、手摇计算机、液位显示器……

4.选出最合适的一个

从上述能呈现“显示”的装置或物质中逐项进行评价选择,找出最为合适的一种或几种作为类此原型。例如可选走马灯、电梯楼层显示及汽车表盘为原型。

5.技术处理

根据发明物的具体要求,将原型作一些变换,尽可能吸收它的原理而对其结构作适当调整。如将走马灯的大小变一变,将它的“窗口”变窄,而只露出一个站名。还可将电梯楼层显示灯为原型,在车内设置若干显示面板,上面按行驶线路标上各站站名,每到一站便有小灯显示。
6.得出发明物

按上述设想制作模型,并反复试验与实地试用,修改完善成为一件创新产物。

四、辅助手册

为能提高这一技法的实用效率,各人可以自编一本简易的手册(辞典),以常用的动作(动词)为主,尽可能广泛地收集和不断补充积累每个动词的对应的原理和装置。由于每个人所从事的专业不同、经历各异,各人自编的手册会有不同的特色,因为是自选自编的,运用时更为得心应手。

现以动词“伸缩”为例,说明手册的编写形式。

〔伸缩〕

①(气缩型:以膨胀方式实现伸缩)汽缸、气球、救生圈、车胎、充气模特、充气划艇、充气地球仪、农村做饭用的风箱。

②(卷缩型:以曲卷方式实现伸缩)卷尺、百叶窗、卷帘门、胶卷、电影胶片。

③(线缩型:以沿直线方向的拉、缩实现伸缩)拉杆天线、照相机三角架、云梯、折叠雨伞的伞杆、拉竿式钓鱼杆。

④(折缩型:以折叠方式或张合方式实现伸缩)扇子、折叠椅、折叠伞、分规、折尺、折叠纸灯笼、老式相机的暗箱、手风琴风箱、百合花、折叠眼镜、折叠家具。

其中,括号内的内容是该动作的原理,括号外的内容是具有此动作的事物(装置)。

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