Система законов развития техники (основы теории развития технических систем). Система законов развития техники (основы теории развития технических систем) Проверьте свои знания

Законы развития технических систем, на которых базируются все основные механизмы решения изобретательских задач в ТРИЗ, впервые сформулированы Г. С. Альтшуллером в книге «Творчество как точная наука» (М.: «Советское радио», 1979, с.122-127), и в дальнейшем дополнялись последователями.

Изучая (эволюцию) технических систем во времени Генрих Альтшуллер сформулировал законы развития технических систем, знание которых помогает инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов:

1. Закон увеличения степени идеальности системы.
2. Закон S-образного развития технических систем.
3. Закон динамизации.
4. Закон полноты частей системы.
5. Закон сквозного прохода энергии.
6. Закон опережающего развития рабочего органа.
7. Закон перехода «моно - би - поли».
8. Закон перехода с макро- на микроуровень.

Самый важный закон рассматривает идеальность системы - одно из базовых понятий в ТРИЗ.

Закон увеличения степени идеальности системы :

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

• повышение количества выполняемых функций,
• «свертывание» в рабочий орган,
• переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.

Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

Закон S-образного развития технических систем :

Эволюцию множества систем можно изобразить логистической кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:

1. «детство». Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.
2. «расцвет». Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.
3. «старость». С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.

В качестве примера рассмотрим паровоз. Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД, конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными тепловозами, и электровозами. Паровой двигатель достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя ДВС и электромоторы - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

Закон динамизации:

Надёжность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от её способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации, то есть способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолёта эффективно работать в существенно разных режимах полёта (взлёт, крейсерский полёт, полёт на предельной скорости, посадка), его динамизируют путём добавления закрылков, предкрылков, интерцепторов, системы изменения стреловидности и проч.

Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться - иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (над-система) всё же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)

Другие примеры:

• В 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга, если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.
• Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.
• Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

Закон полноты частей системы:

Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части - двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.

Двигатель - элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка).

Трансмиссия - элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик (параметров).

Рабочий орган - элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции.

Средство управления - элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.

Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.

• Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление «вытеснило» человека-оператора из системы.

Закон сквозного прохода энергии:

Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него - на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи.

Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.

• Импедансы передатчика, фидера и антенны должны быть согласованы - в этом случае в системе устанавливается режим бегущей волны, наиболее эффективный для передачи энергии. Рассогласование ведёт к появлению стоячих волн и диссипации энергии.

Первое правило энергопроводимости системы:

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения её работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.

Второе правило энергопроводимости системы:

Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для её разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.

• При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т. д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образование прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

Третье правило энергопроводимости системы:

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.

• Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

Закон опережающего развития рабочего органа:

В технической системе основной элемент - рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.

Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не даёт значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.

• Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

Закон перехода «моно - би - поли»

Первый шаг - переход к бисистемам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.

• Двухмоторный самолет (бисистема) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).
• Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.
• Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т. д.
• Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многогократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. Что дальше? А дальше полисистема снова становится моносистемой… Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.

• Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, т. е. губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать с многими типоразмерами болтов и гаек.
• Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

Закон перехода с макро- на микроуровень:

Переход с макро- на микроуровень - главная тенденция развития всех современных технических систем.

Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома.

• В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

По материалам wikipedia.org



"Прогрессивными и действующими в течение долгого времени оказываются только те тенденции, которые приближают реальную машину к идеальной".

"Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система - это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система - это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия "идеальная техническая система", существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т. д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15-20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение к. п. д. двигателя и т. д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что "обслуживает" эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т. д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы, при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности - это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа".

"Существование технической системы - не самоцель. Система нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких функций). Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется. Конструктор подходит к задаче так: "Нужно осуществить то-то и то-то, следовательно, понадобятся такие-то механизмы и устройства". Правильный изобретательский подход выглядит совершенно иначе: "Нужно осуществить то-то и то-то, не вводя в систему новые механизмы и устройства".

Закон увеличения степени идеальности системы универсален . Зная этот закон, можно преобразовать любую задачу и сформулировать идеальный вариант решения. Конечно, далеко не всегда этот идеальный вариант оказывается полностью осуществимым. Иногда приходится несколько отступить от идеала. Важно, однако, другое: представление об идеальном варианте, вырабатываемое по четким правилам, и сознательные мыслительные операции "по законам" дают то, для чего раньше требовались мучительно долгий перебор вариантов, счастливая случайность, догадки и озарения".

4. Практическое использование понятия идеальности

Кудрявцев А. В.

Идеальность - одно из ключевых понятий Теории решения изобретательских задач. Понятие идеальности составляет суть одного из законов (закон повышения идеальности), а также лежит в основе иных законов развития техники, наиболее отчетливо проявляясь в таких, как:

Закон вытеснения человека из технической системы;

Закон перехода от макросистем к микросистемам.

Г. С. Альтшуллер говорил, что идеальная система - это такая система, которой нет, а функция ее выполняется.

При построении образа идеальной технической системы необходимо выполнить два действия - представить себе, что реальной системы может и не быть, что можно обходиться без нее, а также сформулировать и точно определить функцию, ради которой система необходима. Выполнение обоих действий в реальных условиях может вызывать определенные трудности. Рассмотрим их более детально.

Формулирование системы как отсутствующей в учебном процессе обычно совершается достаточно просто. (Идеальный телефон - такой телефон, которого нет…, идеальный фонарик - такой фонарик, которого нет… и так далее). Однако в реальной деятельности, при работе с объектами, важными для решателя, у него могут возникнуть проблемы с самим объединением того, что дорого и необходимой по процедуре фигуры отрицания. Например, абстрактное понятие «идеального специалиста» строится легко. Идеальный специалист - это такой специалист, которого нет, а функции которого выполняются. Такое определение формируется достаточно просто. Но у многих людей вызывает затруднение формулировка идеальной модели именно для их специальности. Для многих конкретных специалистов возникают затруднения при формировании модели мира, в котором отсутствует потребность в их услугах. Врачу трудно определить, что такое идеальный врач, учителю, что такое идеальный учитель. Ранее ясная, модель в данном случае может деформироваться, сводиться к иной, например, к перечислению комплекса предъявляемых требований. Здесь проблема в построении новой модели мира, такого, в котором отсутствует важный и кажущийся незыблемым элемент.

Нелегко выполнить и вторую часть предписания - точно определить, что же такое «а функции ее выполняются». Но именно в этой работе и состоит наиболее важный аспект применения модели - понять, зачем вообще потребовалась совершенствуемая система.

В процессе решения задачи зачастую формулируются без предварительного определения и уточнения цели. Определение будущего результата работы подменяется описанием машины, предназначенной для достижения этого результата. Например, при необходимости фиксировать деталь, в задании на разработку может появиться формулировка «разработать устройство для фиксации детали». Такие исходные фомулировки должны, по возможности, корректироваться и уточняться.

В предыдущей лекции об идеальности отмечалось, что очень важно и полезно уметь увидеть цель, освобожденную от конкретных средств ее реализации. Видеть цель - это видеть результат действия еще до того, как станет понятно, с помощью чего можно подойти к этому результату. Такой подход необходим еще и потому, что оценка найденных средств может быть выполнена только при понимании желаемой цели. Глубина этого понимания определяет возможности и точность оценки, выбора оптимального для конкретной ситуации средства.

Например: «необходимо разработать устройство для опускания оборудования в колодец».

Эта формулировка может быть заменена на более общую - «необходимо опустить оборудование в колодец». Здесь уже появляется возможность воспользоваться существующими средствами. Эта формулировка также может быть изменена в очередной раз на еще более общую. Например, на такую: «Необходимо, чтобы оборудование находилось в колодце».

Можно ли продолжить ряд обобщений? Конечно, если мы обратимся к назначению оборудования. Если оно предназначено для подъема воды на поверхность, то цель может звучать так: «Необходимо, чтобы вода поднималась на поверхность». При этом появляется возможность рассмотреть варианты, в которых устройство, расположенное наверху, поднимает воду из колодца.

Самостоятельное, автономное применение принципа идеальности и определения идеальной технической системы, является одной из отличительных черт, формирующих стиль работы специалистов по ТРИЗ. Однако наиболее часто можно встретить в литературе использование этого принципа в операторе ИКР (формировании идеального конечного результата) - одного из наиболее интересных и эвристически ценных шагов АРИЗ.

Объем понятия Идеального конечного результата может отличаться от объема понятия и возможностей идеальной технической системы. ИКР - это постановка перед выбранным объектом требования самостоятельно реализовать комплекс функций, первоначально реализовавшихся другим объектом, (элементом той же системы, надсистемой, внешней средой). Возможны три варианта такой реализации, различающихся степенью идеальности (исчезновения) исходно заданной технической системы.

1. Объект сам (без обычных, специально предназначенных систем или устройств) обрабатывает себя, сохраняя при этом потребительские качества. Это означает, что изделие выполняет функцию системы, предназначенной для ее обработки (оставаясь полезной для потребителя). Данный ИКР фактически совпадает с пониманнием идеальной технической системы. Однако формулирование такого варианта не всегда бывает целесообразным, так как в некоторых задачах оно может вступать в противоречие с ранее заданным уровнем конкретизации зоны конфликта.

Система, предназначенная для обработки, как правило, состоит из ряда узлов. (Состав этих узлов в обобщенной форме рассматривался при изучении закона полноты частей системы). Идеальность такой системы повышается, если какой-либо из ее элементов берет на себя дополнительную функцию, замещает иные элементы. Наиболее целесообразно требовать это от инструмента, части системы, непосредственно обрабатывающей изделие. В этом случае ИКР имеет вид:

2. Инструмент сам выполняет функцию вспомогательных элементов системы (снабжает себя энергией, ориентирует себя в пространстве…), продолжая обрабатывать изделие (то есть выполнять свою функцию).

Естественно, что при этом инструмент может брать на себя не все вспомогательные функции, а их часть (например функции управления, либо снабжения энергией…). В различных случаях будут получаться системы, отличающиеся уровнем «свернутости» - системы без ярко выраженного источника энергии, либо без трансмиссии, либо без органа управления.

Если по каким либо причинам не удается избавиться от системы, реализующей важную функцию, то можно нагрузить эту систему дополнительными функциями и за счет этого избавиться от иных систем. ИКР в этом случае записывается в следующей форме:

3. Система сама выполняет дополнительную функцию, продолжая осуществлять свою.

Как видно, общая структура ИКР выглядит так:

Выбранный объект

выполняет дополнительную функцию,

продолжая выполнять свою функцию (здесь могут быть введены и иные дополнительные условия).

Отдельно следует рассмотреть ситуацию, когда в процессе работы над задачей принято решение ввести дополнительный элемент. Это может быть элемент, реально существующий в окружении системы, а может быть абстрактное представление - так называемый «Х-элемент». В таких ситуациях принято формулировать ИКР по следующей структуре:

Выбранный объект («Х-элемент»)

Устраняет ранее сформулированный нежелательный эффект

Абсолютно не усложняя систему (ведь требование сохранения собственных функций элемента здесь чаще всего избыточно, а риск усложнения системы дополнительными элементами вполне реален).

Работа с «Х-элементом» (в ранних версиях АРИЗов использовалось понятие «Внешняя среда») требует специальных навыков. Ведь строя ИКР и выполняя некоторые последующие действия, изобретатель формирует комплекс требований, свойств, характеристик, введение которых в систему позволит решить поставленную задачу. «Х-элемент» - это совокупность таких требуемых харатеристик, которые потом придется искать в самой системе как ее латентные, скрытые, непроявленные возможности. При невозможности такого внутреннего подбора, появляется необходимость использования элементов с требуемыми свойствами.

Попробуем выработать навык формулирования ИКР и его практического использования при решении изобретательских задач.

Используем ИКР применительно к такой области техники, как передача тепла на расстояние. Общеизвестно, что лучшие из доступных нам природных проводников тепла - это металлы. Особенно выделяются в этом плане медь, серебро, золото. Но и металлы передают тепло не так хорошо, как иногда этого бы хотелось. Например, передать значительный поток тепла по металлическому пруту длиной несколько метров будет достаточно сложно. Нагретый конец такого прутка может уже начать плавиться, а с противоположной стороны его вполне можно будет держать руками. Здесь вырисовывается интересная задача: как обеспечить переток значительной мощности через ограниченное сечение в условиях малых перепадов температур.

Сформулируем идеальный конечный результат в следующем виде: «Тепловой поток большой мощности сам проходит через пространство без потерь и при минимальной разности температур».

Такие устройства были созданы. Они получили название «тепловые трубы». Рассмотрим простейшую конструкцию подобного устройства.

Возьмем трубу, выполненную из теплостойкого материала (например, из стали). Выкачаем из нее воздух и введем внутрь некоторое количество жидкости - теплоносителя (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Расположим трубу таким образом, чтобы ее нижний конец оказался в зоне нагрева, а верхний в зоне отвода тепла. Нагрев жидкости превратит ее в пар. Пар мгновенно заполнит весь объем и начнет конденсироваться на холодном торце. При этом будет отдана теплота, равная теплоте парообразования. (Ведь известно, что теплота парообразования равна теплоте, отдаваемой при конденсации пара) Капли, сконденсировавшиеся на верхней поверхности теплоносителя, будут падать вниз и вновь нагреваться. Такой «круговорот воды в природе» может переносить действительно очень большие мощности.

Как видно из этого описания процесса теплопереноса, тепловой поток действительно сам распространяется по объему тепловой трубы.

Рассмотрим теперь новую ситуацию с придуманным нами устройством. В предыдущем случае мы имели зону нагрева внизу, а съема тепла - вверху. Зададимся вопросом: что произойдет, если зона нагрева окажется вверху, а съем тепла будет производиться снизу (рис. 4.2)? Очевидно, что устройство перестанет работать. Для того чтобы оно заработало, надо, чтобы жидкость перед нагревом поднялась вверх.

Задача 4.1.: как обеспечить подьем теплоносителя к верхнему торцу трубы?

Рис. 4.2

Первое побуждение - поднять жидкость вверх с помощью специального устройства - например, насоса. Но построим ИКР. Мы можем применить этот оператор к трубе, к жидкости, к тепловому полю, к охлаждающему агенту. Важно при этом, чтобы формулировки были действительно построены до конца и полностью произнесены или записаны. Например:

ИКР: труба сама поднимает жидкость вверх, в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

(вариант реализации: в теле трубы могут быть выполнены специальные каналы, по которым будет подниматься жидкость);

ИКР: жидкость сама поднимается в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

ИКР: тепловое поле само поднимает жидкость в зону нагрева, не прекращая нагрева;

(вариант реализации: тепловое поле, распространяемое сверху, может выполнять полезную работу по подъему жидкости в зону нагрева).

Еще раз подчеркнем, что выполнение ИКР, то есть работы дополнительной для элемента, не должно мешать выполнению его полезных функций, и конечно же не должно мешать выполнению главной полезной функции всей системы. Выбор этого вспомогательного требования зависит от того, какую функцию выполняет выбранный элемент.

Кроме того, можно говорить о зоне внутри трубы, из которой выкачан воздух. Для нее мы тоже можем сформулировать ИКР, звучащий очень похоже на уже построенные. «Зона внутри трубы сама…» Есть и еще один объект - это тот самый насос, без которого мы хотим обойтись. Для того, чтобы обеспечить выполнение системой основной функции, может оказаться полезным предварительно ввести в систему новый элемент, просто для того, чтобы тут же постараться от него избавиться, оставив себе все его достоинства. В данном случае мы можем попробовать представить себе систему с насосом и согласно ИКР оставить в системе только рабочий орган насоса - например, его крыльчатку. И уже после этого потребовать от крыльчатки, чтобы она сама, без помощи двигателя и иных элементов поднимала жидкость - теплоноситель в зону нагрева.

Конечно, если мы выберем насос, работающий на ином принципе, например перистальтический, то требование будет предъявлено уже к иному рабочему органу. «Трубка сама пульсирует и поднимает жидкость наверх».

Вся совокупность построенных вариантов ИКР может и не определяться в рамках реального решения задачи. Но из сделанных построений виден общий принцип - ИКР обеспечивает концентрацию интеллектуальных усилий на выбранном элементе, заставляет человека, решающего задачу, искать в нем скрытые возможности.

Эффективным решением задачи о самостоятельном подъеме теплоносителя в зону нагрева при малых длинах трубки является использование капилляров. Кстати, капилляры также являются наиболее эффективным средством доставки теплоносителя в зону нагрева при использовании тепловой трубы в невесомости. Боковая поверхность трубки при этом выстилается слоем капиллярно-пористого вещества. Для труб с высокой рабочей температурой в качестве капилляров используется насечка на внутренней поверхности трубы.

Известно, что на поверхности тепловой трубы в рабочем режиме устанавливается (САМА!) постоянная температура. Это очень удобно для термостатирования, ведь в технике часто требуется обеспечить постоянство температурного поля, например, при сушке, при испытании серии приборов… С помощью тепловой трубы это реализуется довольно просто. Можно иметь на входе нагреватель с любой температурой, превышающей температуру испарения теплоносителя, и тепловая труба будет «срезать» все лишнее. Температура поверхности трубы будет зависеть только от соотношения интенсивностей подвода и отвода тепла и площадей теплообмена. Если процессы подвода и отвода тепла устоялись и равны площади поверхностей испарителя и конденсатора, то температура трубы равна половине суммы температур нагрева и конденсации.

Задача 4.2.: Рассмотрим работающую тепловую трубу. Она внешне не отличается от трубы неработающей. На испытательном стенде возникла задача: как определить, что тепловая труба вышла в рабочий режим. Поставим и эту задачу через формулирование ИКР, через определение требуемого результата. Конечно, для этого требуется понимать, что же происходит с трубой, когда она выходит на рабочий режим. Об этом могут сообщать ее элементы, находящиеся в измененном состоянии: в состоянии, связанном именно с тем, что тепловая труба устойчиво работает.

Что же происходит с элементами, когда тепловая труба работает? Вся поверхность корпуса имеет постоянную температуру. Капилляры заполнены жидкостью, поднимающейся вверх. Существует перепад давления между концами трубы. В зоне нагрева давление паров теплоносителя максимально, в зоне конденсации оно практически отсутствует. Нагретый теплоноситель, ставший паром, переносится от горячего конца в зону конденсации.

Все эти явления, которые мы можем назвать особенностями конкретной ситуации, могут сообщать нам о появлении нужного нам режима. На каждом из них можно сформулировать ИКР и построить на основе этих ИКР варианты возможных решений.

Один из вариантов, реализованный в лаборатории с целью проверки работоспособности тепловой трубы, состоял в том, что внутрь трубы был помещен обычный свисток (или упругая пластинка, которая колебалась в потоке пара и заставляла трубу звучать). Конечно, это решение в чем-то «идеально», а в чем-то и нет. Ведь в реальной установке этот способ, скорее всего, неприменим из-за дополнительного звукового фона. Но это «быстро внедряемое» решение обеспечило получение нужного знания с помощью подручных средств. Оно же дало еще одну задачу: как заставить свисток звучать только в требуемый момент. И здесь тоже ответ может подсказать оператор ИКР. Его можно сформулировать следующим образом.

«Свисток сам звучит только в момент, когда это необходимо оператору».

Построим еще более точную формулировку требования:

«Язычок свистка сам колеблется только в момент, когда это необходимо оператору».

Такое избирательное поведение может быть реализовано с помощью внешней силы, например, ввинчиваемого в боковую поверхность трубы стопора, заживающего язычок свистка.

Рассмотрим ситуации, в которых для поиска путей решения будет использоваться идеальность и основанный на ней оператор ИКР.

Задача 4.3.: Из металла изготавливаются небольшие металлические пустотелые шарики. Требуется, чтобы стенки шариков были равной толщины. Для обеспечения такого отбора можно создать сложное устройство бесконтактного контроля, а можно попробовать построить ИКР и искать решение на основе его формулировки.

Но сначала желательно определить, к какому из шариков предъявляется требование. Например, к шарику, в котором внутренняя полость расположена не центрально. Если так, то после этого уточнения требование определить значительно проще.

«Плохой» шарик сам отделяется от хороших шариков.

Более точно, то есть после рассмотрения природы явления на физическом уровне:

«Смещенный центр тяжести» шарика сам отделяет его от «хороших».

Возможный принцип решения: шарики поочередно должны скатываться по узкой линейке, установленной наклонно. Те из них, у которых центр масс расположен не в центре, будут отклоняться от прямолинейной траектории и падать с узкой дорожки. Разделение качественно изготовленных и бракованных шариков происходит при этом «само собой».

Задача 4.4.: Рассмотрим реальную ситуацию, описанную в книге М. Вертгеймера «Продуктивное мышление».

«Два мальчика играли в саду в бадминтон. Я мог видеть и слушать их из окна, хотя они меня не видели. Одному мальчику было 12 лет, другому - 10. Они сыграли несколько сетов. Младший был значительно слабее; он проиграл все партии.

Я частично слышал их разговор. Проигрывающий, назовем его „В“, становился все более и более грустным. У него не было никаких шансов. „А“ часто подавал так умело, что „В“ даже не мог отбить волан. Ситуация все более ухудшалась. Наконец „В“ бросил ракетку, сел на поваленное дерево и сказал: „Не буду больше играть“. „А“ пытался убедить его продолжать игру. „В“ не ответил. „А“ сел рядом с ним. Оба выглядели огорченными.

Здесь я прерываю рассказ, чтобы задать читателю вопрос: „Что бы вы предложили? Что бы вы сделали на месте старшего мальчика? Можете ли вы предложить что-нибудь разумное?“»

Попробуем решить эту нетехническую задачу (как сделать так, чтобы обоим игрокам хотелось играть и было интересно играть) с помощью оператора ИКР. Здесь также требуется четко поставить цель. Что бы мы хотели в конечном счете? Очевидно, что обоим игрокам должно быть интересно играть, даже несмотря на разницу в классе.

ИКР может звучать здесь следующим образом:

«Игрок „А“ сам помогает игроку „В“ отбивать мяч, не ухудшая своих показателей и не делая игру более скучной для себя».

Это может быть достигнуто, если оба игрока будут играть на один и тот же результат.

Целью игры также могло бы стать:

Стремление как можно дольше удержать волан в воздухе;

Необходимость для сильного игрока попасть в мишень воланом, который отобьет ему слабый игрок.

Или… сильный игрок мог бы играть левой рукой и т. д.

Уже сама формулировка цели в данном случае открывает возможности для ее достижения.

Задача 4.5.: Зимой водосточные трубы заполняются льдом. Весной лед начинает оттаивать, и возможны ситуации, когда ледяная пробка, подтаяв с внешней стороны и потеряв сцепление с трубой, летит вниз. Удар такой пробки о выступающие части трубы часто приводит к ее разрыву. Если же ледяная пробка падает на тротуар, то она может стать причиной травм находящихся вблизи людей. Выколачивание льда - дорогое и малоэффективное мероприятие. Как добиться того, чтобы пробки не падали вниз?

ИКР может быть обращен ко всем элементам, приведенным в данной задаче. Мы можем считать, что их всего два: лед и труба. Важным вопросом является формирование требования к этим элементам.

«Лед сам удерживается в трубе до момента полного таяния».

«Труба сама удерживает лед до момента его полного таяния».

Как можно видеть, в реальной ситуации труба и лед не держатся друг за друга до момента полного таяния (ведь нам приходится их об этом «просить»).

«Лед сам держится за трубу той своей частью, которая растает в последнюю очередь».

Возможный итог решения описан в одном из российских изобретений:

«Водосточная труба, включающая водосборную воронку, прикрепленную около ската крыши, колена обхода карниза и слива, отличающаяся тем, что, с целью создания защиты от повреждения падающим внутри трубы льдом, труба снабжена отрезком произвольно изогнутой проволоки, расположенной со стороны воронки внутри трубы и прикрепленной верхним концом к скату крыши» (рис. 4.3).

Рис. 4.3

В этом решении видно, что выполненное изменение - пропущенная внутри трубы проволока позволяет приблизиться к реализации ИКР, определенного для льда: лед сам удерживается внутри трубы до момента полного таяния.

Объекты техники имеют огромное количество свойств и характеристик, из которых в конкретных обстоятельствах человек почти всегда использует крайне незначительную часть. Этот запас свойств позволяет нам требовать от элементов системы чего-то нового и находить новые возможности их использования.

Можно констатировать, что идеальность - универсальный инструмент мыслительной деятельности.

Отличие идеальной технической системы от используемых в науке идеализаций состоит в том, что в науке модель приближают к реальному миру, а в технике реальный мир создают на основе модели. И если в науке к абсолютной истине можно только стремиться, никогда ее не достигая, то в технике можно сразу понять эту абсолютную для себя истину, то есть конечный предел, итоговое состояние объекта, но тоже стремиться к этому состоянию, к этой истине бесконечно. Выражаясь фигурально, техника дает нам возможность жить в мире мечтаний, делая их реальностью. И механизм работы с идеальными моделями, с ИКР является практическим инструментом реализации этих возможностей.

Из книги Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть II) автора Первушин Антон Иванович

Приложение I ПОНЯТИЯ Апогей - максимальная высота эллиптической орбиты космического аппаратаАэродинамическое качество- безразмерная величина, являющаяся отношением подъемной силы самолета к лобовому сопротивлению или отношением коэффициентов этих сил при угле

Из книги Творчество как точная наука [Теория решения изобретательских задач] автора Альтшуллер Генрих Саулович

4. Закон увеличения степени идеальности системы Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности. Идеальная техническая система - это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не

Из книги Информационная технология ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ ДОКУМЕНТАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА автора Автор неизвестен

В.З Практическое применение настоящего стандарта Необходима адаптация настоящего стандарта в интересах потребителей и пользователей в целях его практического применения.Практическое применение настоящего стандарта обычно заключается в исключении и добавлении ряда

Из книги Обеспечение безопасности образовательного учреждения автора Петров Сергей Викторович

1.2. Основные понятия Опасность– воздействие или угроза поражающего (деструктивного) воздействия неблагоприятных процессов, явлений, событий, иных внешних и внутренних факторов на учащихся и персонал ОУ, их жизнь, здоровье, права и свободы, имущество и окружающую

Из книги Информационная безопасность человека и общества: учебное пособие автора Петров Сергей Викторович

6.2. Основные понятия Терроризм – насилие или угроза его применения в отношении физических лиц или организаций, а также уничтожение (повреждение) или угроза уничтожения (повреждения) имущества и других материальных объектов, создающие опасность гибели людей, причинение

Из книги Приборостроение автора Бабаев М А

1.1. Основные понятия Информация-это сведения обокружающеммиреи протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством для нужд человека. Информация необходима каждому как условие и как средство существования человека в обществе. И поэтому

Из книги Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] автора Турчин Валентин Фёдорович

1. Основные понятия и определения Невозможно представить себе современную жизнь, идет ли речь о промышленности, других секторах экономики или просто о быте населения, без применения или использования технических приборов.За каждым техническим изделием стоит

Из книги Учебник по ТРИЗ автора Гасанов А И

2.1. Понятие понятия Рассмотрим такую нервную сеть, которая на входе имеет много рецепторов, а на выходе - всего один эффектор, так что нервная сеть делит множество всех ситуаций на два подмножества: ситуации, вызывающие возбуждение эффектора, и ситуации, оставляющие его в

Из книги Электронные самоделки автора Кашкаров А. П.

7.15. Понятия-конструкты Понятия, подобные понятию «пространственное отношение», опираются на действительность не непосредственно, а через посредство промежуточных языковых построений, они становятся возможными в результате определенной языковой конструкции. Поэтому

Из книги Электронные фокусы для любознательных детей автора Кашкаров Андрей Петрович

3. Понятие идеальности

Из книги Затворные системы «переломок» автора Маслов Юрий Анатольевич

1.9.1. Практическое применение устройства На практике такое устройство с запоминанием состояния используют для контроля посещений охраняемых и складских помещений, однако его с успехом можно применять и в быту, т. е. дома, подключив схему (рис. 1.12) совместно с

Из книги История электротехники автора Коллектив авторов

2.5.3. Практическое применение устройства Адаптер можно с успехом применять и в ряде других случаев. Так, с его помощью можно записать разговор на диктофон или магнитофон, а также на компакт-диск с помощью персонального компьютера. Для этого выход адаптера экранированным

Из книги автора

2.6.1. Практическое применение устройства Очень просто с помощью небольшой доработки, позволяющей включать и выключать его автоматически.Далеко не все люди обладают хорошим здоровьем и слухом, поэтому для тех, кому трудно передвигаться и даже держать в руках телефонную

Из книги автора

2.4.2. Практическое применение Практическое применение ДП (кроме рассмотренного выше варианта) может быть разнообразным.Например, датчик положения головы – при установке ДП в шлемофоны мотоциклов или в шлемофоны – аксессуары для компьютерных игр, или датчик наклона

Из книги автора

Из книги автора

2.4. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Наибольший интерес из всех работ В.В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого

Формулировка закона и основные понятия.

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная ТС это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается.

В пределе: идеальная система та, которой нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Поскольку для выполнения функции требуется только материальный объект, то за исчезнувшую (идеализированную) систему эту функцию должны выполнять другие системы (соседние ТС, над- или подсистемы). Т.е. часть систем преобразуется таким образом, чтобы выполнять еще и дополнительные функции - функции исчезнувших систем. Принимаемая к выполнению "чужая" функция может быть аналогична собственной, тогда происходит просто увеличение ГПФ данной системы; если же функции не совпадают - происходит увеличение количества функций системы.

Исчезновение систем и увеличение ГПФ или количества выполняемых функций - две стороны общего процесса идеализации.

Поэтому различают два вида идеализации систем:

Рис. 1. Виды идеализации систем.
- 1-го вида, когда масса (М), габариты (Г), энергоемкость (Э) стремятся к нулю, а ГПФ или количество выполняемых функций (Ф n) остается неизменным:

2-го вида, когда ГПФ или количество функций (Ф n) увеличивается, а масса, габариты, энергоемкость остаются неизменными,

Здесь Ф n функция системы (ГПФ) или "сумма" нескольких функций.

Общий вид идеализации систем отражает оба процесса (уменьшение М, Г, Э и увеличение ГПФ или количества функций):

То есть предельный случай идеализации техники заключается в ее уменьшении (и в конечном счете, исчезновении) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций; в идеале - техники не должно быть, а функции нужные человеку и обществу должны выполняться.

Идеализация реальных ТС может идти путем, отличающимся от приведенных зависимостей. Чаще всего наблюдается смешанный вид идеализации, когда выигрыш в М, Г, Э, полученный в процессе идеализации, тут же расходуется на дополнительное увеличение ГПФ или количества функций. Эти процессы можно условно изобразить кривыми, показанными на рис. 29.

Рис. 2. Один из смешанных видов идеализации реальных систем.
1 - процесс идеализации общего вида, 2 - процесс увеличения полезно-функцио-нальных подсистем (развертывания ТС - увеличения (М,Г,Э), 3 - равнодействующая линия развития I(S).

Подобные зависимости характерны, например, для авиации, водного транспорта, военной техники и др.

Процесс идеализации внешне аналогичен 2-му виду I(S 2), когда увеличение ГПФ происходит при неизменных значениях М,Г,Э. На самом деле М,Г,Э подсистем уменьшаются, но сами эти подсистемы удваиваются, утраиваются, появляются новые и т.д. Таким образом, на уровне подсистем идет процесс идеализации 1-го вида, а на уровне всей ТС идеализация 2-го вида.

Если разнести во времени процессы 1,2 (рис. 29), то есть разделить смешанный процесс на два раздельных, то получим некий обобщенный (нормальный) процесс развития ТС, включающий фазу развертывания и фазу свертывания системы (рис. 30).

Рис. 3. Нормальный вид идеализации реальных систем.
1 - развертывание ТС, 2 - свертывание ТС, 3 - огибающая кривая.

Техническая система, возникнув, начинает "завоевывать" пространство (увеличивает свои М,Г,Э), а достигнув некоторого предела, уменьшается (свертывается).

Процесс развития ТС протекает во времени, поэтому горизонтальная ось (Ф n - ГПФ) это одновременно и ось времени - каждое изобретение увеличивает главную полезную функцию системы (рис. 31).

Рис. 4. Развитие ТС во времени.

Можно преобразовать эти графики в окончательный вид - волнообразную кривую развития ТС в пространстве и времени (рис. 32). Эта модель развития справедлива для всех уровней иерархии над- и подсистем, вещества.

Рис. 5. Пространственно-временная модель развития ТС.

Таким образом, процесс развития (идеализации) технических систем можно описать выражением:

Один из механизмов развертывания (перехода в НС) переход моно-би-поли хорошо вписывается в "волну" развития ТС (рис. 33). На любом этапе развития (развертывания) система может быть свернута в идеальное вещество - в новую моно-систему, которая может стать началом новой волны развития.

Рис. 6. Модель развития технических систем.

Как делаются шаги по линии развития ТС?, что движет систему от одного изобретения к другому?, каков механизм этого процесса?

Анализ истории развития многих ТС показывает, что все они развиваются через ряд последовательных событий:

1. Возникновение потребности.

2. Формулирование главной полезной функции - социального заказа на новую ТС.

3. Синтез новой ТС, начало ее функционирования (минимальная ГПФ).

4. Увеличение ГПФ - попытка "выжать" из системы больше, чем она может дать.

5. При увеличении ГПФ ухудшается какая-то часть (или свойство) ТС - возникает техническое противоречие, то есть появляется возможность сформулировать изобретательскую задачу.

6. Формулирование требуемых изменений ТС (ответ на вопросы: что надо сделать для увеличения ГПФ? и что не позволяет нам это сделать?), то есть переход к изобретательской задаче.

7. Решение изобретательской задачи с применением знаний из области науки и техники (и даже шире - из культуры вообще).

8. Изменение в ТС в соответствии с изобретением.

9. Увеличение ГПФ (см. шаг 4).

Особенности этого направления идеализации:

• уменьшение М,Г,Э за счет миниатюризации; резкое снижение габаритов (Г) и соответственно уменьшение М и Э;
• увеличение ГПФ за счет повышения точности функционирования (уменьшается длина связей - снижается вероятность ошибок, уменьшается требуемая мощность, исчезает часть вредных факторов);
• количество элементов системы остается неизменным вплоть до самого последнего момента - слияния подсистем в единую функциональную моно-систему.

Наиболее характерный пример мини- и микроминиатюризации в технике - это развитие радиоэлектроники в ХХ веке. Широко известна следующая иллюстрация этого процесса: "Если бы "ролс-ройс" 50-х годов усовершенствовался такими же темпами, как вычислительная техника, то этот роскошный автомобиль стоил бы сейчас два доллара, имел мотор емкостью в половину кубического сантиметра и потреблял бы тысячную часть кубического миллиметра бензина на километр пути".

Развитие элементной базы шло по пути резкого уменьшения М,Г,Э по цепочке: отдельные детали - сборки - микросборки - интегральные микросхемы (ИМС) - большие интегральные микросхемы (БИС) - сверхбольшие (СБИС). Причем на всем пути элементы принципиально не менялись: это был все тот же набор резистивных, емкостных, полупроводниковых и индуктивных элементов. Лишь в последнее время, в связи с разработкой идей выращивания электронных блоков в виде монокристаллов и сборки на основе биочипов, появились признаки перехода к принципиально новым элементам.

Развитие стиральной машины:

• бочка с активатором (электродвигатель, насадка), шланг, крышка;
• затем началось присоединение полезно-функциональных подсистем - подогрев, перекачка, модификации активатора, программное управление, отжим-сушка и т.д.;
• миниатюризация - машина "Малютка" и др.;
• предельный случай: совет из раздела "Умелые руки" - электродрель с насадкой и любой таз с бельем (стиральной машины нет, а функция ее выполняется);
• замена механического активатора на ультразвуковой (идея давно используется для отмывки деталей в машиностроении); испытания дали отличные результаты: нужна любая емкость с бельем, порошком, водой в нее опускается небольшая коробочка (УЗ -активатор);
• после механических и физических активаторов должен быть переход к "химической стирке" (активатор на микро-уровне).

Свертывание типографии.: выбранная книга печатается в присутствии заказчика прямо в книжном магазине. Текст и иллюстрации считываются с оптического диска и за несколько минут распечатываются на лазерном принтере (около 10 тысяч печатных листов в минуту), а затем переплетаются на автоматической переплетной линии. ("Наука и жизнь", 1987, № 6, с.104).

Очень важная вставка
в раздел 4.11.4.2

Нанотехнология Эрика Дрекслера:
технократическая утопия или закономерный этап развития техники?

Статья Б.Понкратова (с некоторыми сокращениями) "Что будем делать в третьем тысячелетии, или последняя технократическая утопия. ("Техника - молодежи", 1989, № 12, с. 18-22)

Весной 1977 г. студент Массачусетского технологического института Эрик К.Дрекслер высказал идею о необходимости перевода технических систем с макро- на микроуровень, путем создания молекулярных машин - искусственных подобий биологических молекул, работающих в живых клетках.

С конца 70-х годов Э.К.Дрекслер с небольшой группой энтузиастов начал работы по нанотехнологии в Стэнфордском университете.

Вначале были эксперименты с биоподобными структурами: аминокислотами, ферментами (катализаторами биохимических реакций), природными белками и тканями.

Однако вскоре приходит понимание того, что биоподобные структуры (и все, что они могут создать) - это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разлагаются при повышенных температурах и давлениях, не могут с большой точностью обрабатывать твердый материал, действовать в агрессивных средах и т.п. Да и не все требуемые виды наномеханизмов можно сконструировать из биомолекул. Значит, неизбежно потребуется использовать неорганические вещества и кристаллические структуры.

Кроме того, конструирование биомашин из биологических компонентов потребует изобретения огромного количества новых принципов, способов, устройств и веществ, которые бы обеспечили получение "на выходе" нужных функций.

Поэтому нет смысла отказываться от грандиозной суммы идей и приемов, наработанных в процессе развития техники. Это все то, до чего "не додумалась" природа, начиная с колеса и кончая компьютером. Поэтому Дрекслер в своих работах подробно обосновал способы построения на атомном уровне подшипника и зубчатой передачи, рассмотрел проблемы трения скольжения и т.д.

В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины должны соединить в себе свойства живых и технических систем.

Основным типом машин, по мысли Дрекслера, станет так называемый ассемблер , т.е. сборщик. Из любых нужных атомов и молекул он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, "станки", вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на "перфолентах" типа цепочек РНК или ДНК. Процесс смены программы мог бы напоминать заражение клетки вирусом.

Дрекслер считает, что сборщику для выполнения его задач достаточно иметь порядка 10 тыс. подвижных и неподвижных узлов, каждый из которых построен в среднем из сотни атомов (всего около миллиона атомов - размер, примерно, в одну тридцатую средней бактерии).

Внешне сборщик можно представить как ящик с "рукой"-манипулятором длиной в сотню атомов. Сам манипулятор прост, но может оперировать сменными инструментами любой сложности. Инструментами служат молекулы, имеющие активные реакционные центры, т.е. участки, способные образовывать прочные химические связи с другими молекулами. Внутри сборщика размещены устройства, двигающие манипулятор, заменяющие молекулярные инструменты в его захвате и содержащие программу всех действий.

Как и рибосомы в клетке, сборщики будут работать в емкостях со специальной жидкостью, богатой исходными материалами, молекулами-заготовками, а также "топливом" - молекулами с большим запасом химической энергии.

Видимо, "рука" будет просто ожидать, пока нужная молекула, пройдя через избирательную насадку, в своем хаотическом движении не ударится о захват. По этому принципу работают активные участки всех ферментов. В их структуре есть изгибы, которые по форме и размеру точно соответствуют нужной молекуле - и никакой другой. У быстрых ферментов скорость обработки составляет миллион частиц в секунду при достаточной их концентрации в среде.

Рабочий цикл сборщика, таким образом, может повторяться примерно миллион раз в секунду. Эту оценку можно подтвердить другим, независимым рассуждением: "рука" сборщика примерно в 50 млн. раз короче руки человека, и, значит, если сохранять эквивалент инерционных нагрузок, она сможет двигаться примерно во столько же раз быстрее.

Для практической наноинженерии очень опасны хаотические тепловые колебания атомов и молекул. Они могут помешать манипулятору робота обрабатывать и устанавливать детали с нужной точностью. Правда, в определенных случаях они полезны, например, когда манипулятор "ожидает" случайного наскока молекулы для ее захвата. Но для прецизионных операций тепловые колебания вредны. По этой причине Дрекслер спроектировал очень "толстый" манипулятор (конус 30 нанометров в диаметре и 100 в длину), сложенный из атомов углерода по типу алмазной решетки. Это придаст ему такую жесткость, что его тепловые перемещения не превысят половину диаметра атома.

Управлять сборщиками вручную из-за огромной скорости их работы, конечно, невозможно. Это должны делать нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами.

Для связи с этими крошечными машинами можно использовать нанокомпьютерный интерфейс или передавать команды по радио. Подходящим средством управления наномашинами мог бы стать свет. Можно будет задействовать весь ассортимент известных фотохимических и фотофизических эффектов. Например, свет может изменять форму определенных молекул. Перемещения атомов при этом происходят за триллионные доли секунды. Наконец, свет может стать и источником энергии для наноустройств.

Что касается нанокомпьютеров, то Дрекслер и здесь предлагает использовать механические принципы. Он разработал концепцию вычислительного устройства, в котором двоичный код реализуется двумя фиксированными положениями прочных линейных карбиновых молекул из 7-8 звеньев длиной 1 нм. Эти микроскопические стерженьки скользят в твердой матрице по каналам, пересекающимся под прямыми углами, так что один стерженек может перекрывать (или не перекрывать) путь другому. Трех параллельных каналов, пересеченных четвертым, достаточно, чтобы образовать универсальную логическую ячейку. Набор таких ячеек позволяет реализовать любой процесс вычислений или обработки информации.

Запоминающее устройство емкостью в миллиард байт займет в таком исполнении объем бактерии - один кубический микрон. Длительность вычислительного цикла, то есть время перемещения стерженька из одного положения в другое, при его ничтожных размерах, составит всего 50 пикосекунд. Поэтому быстродействие такой механической системы будет выше, чем у лучших современных микрокомпьютеров.

Возможно ли массовое производство наномашин Дрекслера? Пока это кажется безнадежно нерентабельным. Но это будет только до тех пор, пока в один прекрасный (а может быть, и страшный) день не будет создано самовоспроизводящееся наноустройство .

Всем видам таких устройств Дрекслер дал общее название "репликатор ", то есть копировщик. Прислушайтесь внимательно к этому слову. Может быть, когда-нибудь оно обозначит новую эру в жизни человечества. Она начнется, если будет построен один-единственный копировщик. Этого окажется достаточно для такого гигантского переворота во всех областях человеческой деятельности, какого, может быть еще не знала история.

Не слишком ли сильно сказано? Давайте посмотрим.

Итак, построен один копировщик. Допустим, что он в тысячу раз сложнее сборщика, то есть число атомов в нем равно примерно миллиарду. Тогда, работая все с той же более чем умеренной производительностью - миллион атомов в секунду, копировщик соберет собственную копию за тысячу секунд, то есть за четверть часа. Опять-таки эта оценка подтверждается независимым соображением: примерно за то же время в благоприятных условиях делится клетка микроба. Новая копия немедленно приступит к самовоспроизведению, и через 10 часов в растворе со строительными и "энергетическими" молекулами будет плавать уже около 70 млрд. копировщиков, а менее чем за сутки их масса превысит тонну. Эта тонна сверхсложнейших устройств получена в течение суток без всяких затрат человеческого труда . А вторую тонну можно получить уже не за сутки, а... правильно всего за 15 минут - только подавай раствор. Вопрос о цене пожалуй что и отпадает. Немного осмелев и нарастив за неделю - другую нужную массу копировщиков, можно заставить их прямо из самих себя сложить... ну, допустим, мост через Берингов пролив.

Но дело, конечно, не в количественных рекордах. В наступившей "новой эре" исчезнет необходимость и в любом квалифицированном человеческом труде .

Вот, например, Дрекслер подробно описывает, как с помощью копировщиков построить, то есть, простите, вырастить, ракетный двигатель.

Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку - основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы наполняют его вязкой жидкостью, содержащей в виде взвеси копировщики, перепрограммированные на новые функции сборщиков.

В центре подложки находится "зародыш" нанокомпьютер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеющий участок, к которым могут "прилипать" сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему пространственном положении относительно зародыша и приказ захватить своими манипуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру "зародыша" и получают аналогичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает некое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими подробностями очерчивающей форму будущего двигателя.

Снова включаются насосы, заменяя в баке взвесь сборщиков раствором строительных материалов. Компьютер зародыша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.

Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содержащей "топливо" и исходные материалы и выносящей из рабочей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компьютер зародыша, передает команды каждому строителю.

Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия создаются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех местах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему будущего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, компрессоры, датчики и т.д. На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания.

А ведь в результате, в отличие от обычных двигателей, получилось изделие, которое не имеет не единого шва и выигрывает в массе примерно в 10 раз по сравнению с современными конструкциями. По своей структуре оно, пожалуй, больше похоже на драгоценный камень.

Но это все еще самые простые возможности нанотехнологии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью. Конструкция, более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет, подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон), расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги.

Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время, к тому же превратив оболочку скафандра в "умножитель силы". В освоении космоса наступит новая эра.

Но то ли еще начнется на Земле? Сборщики сделают практически все практически из ничего, используя любое "подножное сырье", воду и воздух, где есть главные нужные элементы - углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний; остальные, как и для живых организмов, потребуются в микроколичествах. Исчезнут вспомогательные производства и вся так называемая "группа А", а предметы потребления будут производиться "прямо на дому".

Нанотехника восстановит озонный слой, очистит от загрязнений почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры. Города и дороги будут расти как трава. В пустынях поднимутся леса фотосинтетических элементов, которые дадут нужное количество электроэнергии, пищевых веществ и универсального биологического топлива - АТФ (аденозинтрифосфатной кислоты). Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся сельскохозяйственные угодья, большую часть планеты покроют сады и естественные экосистемы...

Произойдет новая научная революция. Сопоставимые с размерами сборщиков приборы, научное оборудование и натурные модели будут проектироваться и реализовываться в "металле" за считанные секунды. На них одновременно и с огромной быстротой пойдут миллионы параллельных экспериментов любой сложности, результаты которых обобщит искусственный интеллект и выдаст в нужной форме.

Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировому знанию, разовьют по индивидуальной программе умственные способности.

Неузнаваемо изменится медицина. Последовательно проверяя и если надо "исправляя" молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Человек будет жить сотни, может быть, тысячи лет.

Труд в современном смысле, то есть " в поте лица", который с незапамятных времен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая Утопия но не из тех, где дается рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наоборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.

Однако, Дрекслер не наивен. Он понимает, что реальная картина нанотехнологического бытия может оказаться не совсем радужной, старается предусмотреть возможные осложнения и наметить выходы...

Концепция Э.Дрекслера - яркий пример разработки идей идеализации техники в "стихийном изобретательстве", образец нахождения и формулирования Достойной цели, остроумного решения научной задачи.