技术发明的组合模式探析——兼论大飞机C919属于中国创新

吴 红

(上海交通大学 马克思主义学院，上海 200240)

技术的快速发展，引起了人们对发明过程的高度关注，发明的产生模式成为一个重要的研究主题。打开一个机器的内部可以直观地看到组合的结构，众多学者逐渐意识到发明的组合模式，技术进步则是不断的组合累积的结果，每一项发明都是旧发明的新组合。在经历了早期发明的英雄理论之后，研究者更加理性地分析技术变化的过程，而非聚焦于发明人的天赋。目前，研究者们普遍接受了发明的组合累积模式，他们倾向于认为，人类几乎没有产生全新的产品，发明人总是产生大量的概念、事实、结构等为发明过程添加燃料，与其说发明是无中生有的创造行为，不如看作组合的活动[1]。那么，发明在何种程度上是组合而成的？在发明的产生过程中，组合是如何完成的？本文将对以上问题进行探讨，并以此论证中国研制的大飞机C919是否属于中国创新。

一、发明是不断组合、积累的结果

很少有发明是无中生有，发明多是由先前存在的设备经过改造组合而成的新颖技术成果，从发明的构成、技术的进化模式和技术系统等角度都能看出发明是不断组合累积的结果。

(一)发明拥有多种要素组合的结构特征

1.发明是技术部件的组合

每一项发明都包含多种原理和部件，发明都是在一个由原理和部件形成的有规则的序列中逐渐发展，或许在较长时间中只有很长序列的基本要素在发展，没有产生任何满足人们需要并能实际应用的结果，后来，这些基本要素可能会产生一系列的组合，即首次产生了一个新的设备或者新机器。19世纪早期评论家斯图亚特(Robert Stuart)在研究蒸汽机的发明历史之后指出：“一台机器，经过长时间和众多人不断进行的新的组合和改进，逐渐演变到最后给人类带来显著的利益”[2]。

美国专利及商标局对每一项授权的发明都附有包含技术种类和技术亚种类的两个部分技术分类代码,每一项专利都至少包含一个技术代码。当一项发明包含两个及以上的技术代码的时候，意味着其特征和技术功能涉及多个方面。基于此，对1790～2010年间的美国专利及商标局授权的专利进行统计分析，发现77%的专利的代码至少是两个技术代码的组合。19世纪，大约有一半的专利仅有一个技术代码，这个比例在整个20世纪一直稳定下降，目前比例是12%[3]。美国专利及商标局认可的许多发明的新颖性并非来自于新技术本身的有用性，更大程度上是因为已有技术在组合之后构成了在专利数据库中没有记载的新发明。这些数据不仅显示了技术的复杂性在不断增加，也意味着组合在当前技术发展中的重要地位。

2.发明是具有特定功能的技术模块的组合

随着技术复杂性的增加，发明人将数以万计的零部件汇总到一个系统中，需要很大的工作量。同时，很多技术部件组合的结果被频繁使用，这个组合结果逐渐被固化形成技术模块。由此，技术逐渐变成由各种载有不同功能的集成块或者说技术模块构成的。阿瑟(W B Arthur)称之为技术的递归性，即结构中包含某种程度的自相似组件，也就是说，技术是由不同等级的技术建构而成的[4]31-38。技术的模块化使得发明人可以不必弄清楚技术模块的“黑箱”里面究竟是什么结构，只需要知道模块在一个系统中可以提供的功能即可，每一个模块由专业的人员和企业来提供。

3.发明是技术原理的组合

发明是由技术部件、技术模块组合而成的，但是种类繁多的技术部件和技术模块如何被有机地整合起来的呢？发明是一个将需要和能满足需要的某个原理链接起来的过程[4]143。这个过程从需要出发，在知识库中寻求可以直接满足需要的原理，我们姑且可以称之为直接原理，直接原理又包含更多的次一级原理，次一级原理依旧包含更次一级原理，以此类推，当某一级原理能够被技术部件和技术模块直接展示出来的时候，发明人就找到了发明的最基本的组合要素。这个过程是一个逐级发散的过程，起始于目的，终结于每一个微小的现存的技术部件或技术模块，链接始末的过程是对组合产生预期的结果进行联想的过程。

(二)技术在不断的组合过程中发展进化

人类学家克鲁伯(Alfred L Kroeber)曾经对有机物和人造物的发展模式提供了两个形象图形描述[5]，被称之为“克鲁伯谱系树形图”，如图1所示。

图1 克鲁伯谱系树形图

在图1中，左图展示的是有机物树形图，右图是人造物树形图。有机物的树形图的树杈彼此独立，每根树杈和枝桠代表出现的新物种，各物种之间没有关联。人造物树形图分出的树杈在某些节点上相互联结，以此为出发点延伸出新的树杈和枝桠，而新的树杈和枝桠在另外的位置又可能产生新的联结，再延伸生长出更新的树杈和枝桠，不断发展，形成怪异而茂密的大树。

如果把一项技术看作一颗大树，技术的核心原理就是树的主干，核心原理原本只是一个概念，技术的形成的过程也恰恰是通过物理部件将核心原理实现的过程。技术的次一级原理和部件是树的分叉树枝，再次一级的以此类推，直到最为基础的部件即树叶。一棵树上树枝、树叶形状大小各异，共同构成了一颗大树。如果把这一颗大树放在整个人类创造的技术系统中，这颗大树可能只是技术系统中的一条树枝或一片树叶，只是技术系统中的一个技术部件或技术模块。

我们可以借用克鲁伯的人造物树形图来阐释发明的“组合-累积-进化”模式。技术在发展过程中，已有的旧技术之间、新技术之间或者新旧技术之间都有可能产生联结，即组合，形成新发明。累积的技术越多，组合的可能结果也就越多，技术在这样的“组合-累积-再组合-再累积” 的不断循环过程中实现缓慢进化。当然，并不排除这个进化过程中偶尔也会有革命性的发明或者激进发明出现。不过，就算是革命性的发明，也需要已有的原理、最基础的物质等要素作为支撑，就像很少有机械不需要最基本的螺丝或者连杆一样，在这个意义上，可以说一切发明都离不开组合。

(三)发明是一个具有整体性特征的系统

一般系统论的奠基人贝塔朗菲(Ludwig V Bertalanffy)认为系统可以被定义为是一系列相互作用着的并且也和周围环境发生作用的要素的集合[6]。系统内部的各个构成要素不是零散地、偶然地堆积到一块，而是在一定的关系网中相互联系、相互作用最终构成了一个整体。整体拥有系统内部各个独立要素所不具有的新的特性、新的功能和新的规律，这就是系统的整体性，或者表述为贝塔朗菲定律：“整体大于部分之和”[7]。系统内部各要素之间有关系，系统特征依赖于其内部要素特定的关系，这是组合性特征[8]。当前，很少有发明仅仅是单一的要素，几乎所有的发明都包含或多或少的一些部件，这些部件在有序的组合中形成了具有特定功能的发明。所以，发明是一个系统，发明具有系统整体性，一项发明的功能往往不是其组成部分功能的总和。几乎所有的家具都是有木板、钢钉和胶水组成，却由于结构不同而在性能上千差万别。发明作为一个系统具有的整体性可以用系统的有序度R描述：

其中H为系统在某一状态时的熵值，Hmax为系统处于平衡态时的熵值。R越大，系统越有序。当H=Hmax的时候，R=0，表示系统内部完全是一堆零散的部件，系统完全无序，这种情况下，系统很难成为一项发明产品。当H=0的时候，R=1，表示系统完全有序，作为一项发明的系统完全可以达到发明人预期的性能，可以稳定地发挥它的功能。所以，R在0和1之间，几乎很少有完美的发明，发明大都处于不断的修正和调整中。

系统的组合性特征表明，发明的组合过程并非简单的重复劳动过程，各个部分建立的关系不同，从而发明结果也各不相同。由于发明所赖以组合的部件都是现有的，所以在发明的过程中，如何在各个部件之间建立起严密关系则成为发明的核心问题。

二、 组合构建的过程

不管发明人如何雄心勃勃，发明都不会凭空产生，如何将这些部件组合成机器才是发明的关键。19世纪末20世纪初，法国心理学奠基人里博(Théodule Ribot)在对创造力和想象力的研究中，理所当然地使用“新组合”来指代创造力和想象力的思维结果。有两个要素促使人类能够产生创造活动：一个是天然的需要作为刺激；另一个是人拥有超越普通动物的想象力，想象力能够激发起很多要素形成新组合[9]。发明的组合过程可以分为两个阶段：心理模型的建构和机械表达。

第一阶段：概念的组合——心理模型。

发明的过程就是发明人借用物理对象把他们的心理模型组合起来的过程。当发明人思考和绘制草图的时候，他并不是简单修改一下别的设备或者以随机的方式来获得启发，相反，这个过程是一个努力尝试捕获、具体化的一个心理模型。心理模型在认知科学里被描述成：“人们拥有的自己、他人、环境之间相互作用的模式”[10]。心理模型受制于各种因素，比如使用者的技术背景、相类似系统的已有经验、人类信息处理系统的结构等。发明人在想象一个新技术的时候，会使用心理模型来构思工艺原型和操作原型。他们会首先在思维中假设什么功能是需要被组合进来，什么样的装置可能最终具有实用性。发明人的心理模型是不稳定的，处于不断调整中；心理模型又是不完备的，发明人需要频繁更换组合，以期完善心理模型。有时候发明人在思维想象中“驱动”自己的发明运行，构建发明的框架，有时候需要在实验室建立起模型，试验然后修改，在不断调整中逐步完成他们的设想。

心理模型在发明的社会学文献中，对应于比杰克(Wiebe E Bijker)提出的技术框架(technology frame)。技术框架就是发明人提出的能够解决某一问题的构想。技术框架是由当前的理论、目标、隐性知识、解决问题的策略、操作和使用的惯例等组合而成，技术框架一方面可以解释当前的社会环境如何建构了一项技术人工物的设计，另一方面也可以说明现存的技术如何建构了当前的社会环境[11]。

威特(Ulrich Witt)认为发明人获得发明的心理模型一般涉及两个方面的操作：一个是生产性操作，产生一个将要素组合起来的新产品；另一个是解释性操作，把新组合整合到一个新的技术或者已经存在的概念中去[12]。威特所说的解释性操作，实际上是发明人思维模式构建的过程，为了满足需要解决的问题，具有满足功能条件的要素被选中并且整合到已有的技术中去。

心理模型是一个目标，也是发明人关于如何使新发明能够产生实际功能的一个想象。心理模型是一个粗糙的设想，发明人要采用不同的方式不断的对他粗糙的设想进行描绘再描绘，才能最终使之转化成为切实可行的发明。

第二阶段：物理部件组合——机械表达。

发明的心理模型只是头脑中形成的发明概念，下一步发明人要在现实中把发明的实物模型制造出来。组合过程在头脑中构思的时候，考虑的主要是原理的组合，而在现实发明活动中组合的是技术构件。如何实现这个转变？阿瑟回答了这个问题，即把原理转译为物理组件。阿瑟给出了发明的组合机制最简洁的描述：所有发明都是目的与完成目的的原理之间的链接，并且所有发明都必须将原理转译成工作元件[4]144。发明人要把心理模型中组合功能或者原理要素在现实中通过机械部件呈现出来，这是物理部件的组合配置过程，即机械表达的过程。心理模型中的功能或原理和现实中的机械部件不是一一对应的关系，而是一对多的关系。因为一个功能或者原理可以通过不同的机械结构表达出来，最终采用哪一种部件，需要依赖发明人的技巧。

爱迪生转向电话发明的时候，他已经熟悉最早作出实质性电话的发明人里斯(Johann P Reis)的电话结构和物理学家赫尔姆霍茨(Hermann Von Helmholtz)的能够产生人工元音的设备。爱迪生希望采用可变电阻的形式来完善里斯电话的结构，关键的一点就是用什么机械结构表达出他的可变电阻的功能。爱迪生起码设计了四个方案，一是将一个音叉和水银杯组合起来；二是他在1873年用于双工电报机中的液体变阻器；三是采用刀刃状的锐利物和高电阻液体滴剂的组合；四是碳粒变阻器。爱迪生发现液体会蒸发，并且液体变阻器也不适于实际使用，爱迪生最终抛弃了液体变阻器，选择碳粒变阻器来表达他的心理模型[13]。爱迪生在其电话发明的过程中的机械表达是发明人都会经历的过程:发明人不断从已有的技术中选择部件，组合起来形成具有特定功能的技术模块，然后将技术模块整合到新的或者已有的技术系统中去。

伴随心理模型构建和物理部件组合的过程，还有一个评估的思维活动同时在进行。发明人要随时评估组合后的技术的有用性、优点、可能带来的利益以及使用者是否乐意采用等。这个评估过程往往伴随心理模型的建构和物理部件组合两个步骤进行，心理模型的修正和物理部件的选择时常取决于评估。发明人对组合结果的评估，很大程度上依赖发明人个体的喜好、阅历和对已有技术的把握，还有对社会需求、经济环境的领悟等。

三、大飞机C919属于中国创新

在近代重大技术发明中，飞行的梦想始终吸引着人们进行着不懈的探索。2017年5月5日，在经历了中国科技人员整整九年的潜心研究之后，中国首次按照国际适航标准研制的150座级干线大型客机COMAC919(以下简称C919)首飞成功*关于大飞机C919的相关数据均引自“中国商用飞机有限责任公司”官网(http://www.comac.cc/)。。而后，有人肢解C919的技术结构并挖掘技术部件的供应来源，比较敏感的莫过于C919各种部件来自全球的144家供应商，其中飞机关键构件如发动机由法国赛峰集团(Safran Aircraft Engines)和美国通用集团(GE)联合控股的CFM国际集团提供，发动机排气系统、发电和配电系统、机轮、刹车等部分也分别来自欧美的奈赛公司(Nexcelle)、霍尼韦尔航空公司(Honeywell Aerospacel)等，而前机身部段、中后机身部段、中央翼、副翼部段和后机身前段均由中国航空工业集团下辖的多家公司提供。由此，在众多讨论中出现了一种声音：就C919大飞机而言，中国仅仅制造了一个外壳，实质上是买来一堆部件组装而成。那么，C919究竟是否中国创新？下面将从三个方面进行论证。

第一，从发明的组合模式和进化模式来说，C919属于中国创新。发明就是已有技术的不断组合累积的过程，发明既包含基础的或重大的发明，也包含一些微小的或改进型的发明。几乎所有的重大的发明，都不是仅仅出自一位发明家之手，相反，发明往往是成千上万个细小的部件添加到一个发明中去，重大发明总是凝聚大量微小的发明。飞机的发明也不例外，在近一百年中，无数的细小部件添加到飞机上来，这中间的每一个步骤都是飞机发展进程中不可或缺的。中国科研人员完成了飞机的整体设计，在三个方面体现了自主创新：中国自己的研发团队，拥有飞机的知识产权，所有设计、研发和组装都由中国独立完成。C919气动特性这一关键技术属于中国自主创新，设计出既能适应高速巡航飞行又能保持较高气动效率的“超临界机翼”，同时中国研发人员突破了飞机发动机一体化设计、电传飞控系统控制律、主动控制技术、全机精细化有限元模型分析等在内的100多项核心技术，即便是争议颇多的机身外壳，也是首次采用了第三代铝锂合金材料等。由此可见，C919是一项中国做出了部分改进的发明，改进的过程中保留了已有的大部分技术，即许多供应商提供的功能部件，中国科研人员在飞机发明的链条上添加了一些重要环节，我国的飞机的发展史又矗立一座新的里程碑。

第二，从创新的内涵和创新发展模式的角度分析，C919是中国创新。经济合作和发展组织界定创新包含以下几种情况：在经济和社会领域产生或采用一个有附加值的新事物；更新或补充一个产品特性、服务或者市场；发展一种新的生产方式；建立一种新的管理系统[14]。C919在已有飞机技术的基础上，改进了部分关键技术，更新了飞机的部分特性，比如外部材料损伤容限性能和抗腐蚀性能更强，让飞机结构更轻。当前的发明实质上是技术原理、技术功能、技术部件和技术模块的组合，技术部件和模块通常由专业的机构来生产提供，这也是目前全球很多大型机器制造行业如汽车、飞机等普遍采用的一种运作模式，即“主制造商-供应商”模式，中国大飞机的研发制造采用了这样一种通用模式，这并不奇怪。罗斯维尔(Roy Rothwell)认为，从二战结束以后至90年代早期，创新经历了四代发展模式，20世纪90年代中期以后，创新模式进入到第五代，第五代创新模式中有一个特点就是企业和供应商之间关系拉近，这样有利于减少发展成本和提升发展速度[15]。有专家预测，在未来，供应商将要承担起主要部件的研发责任，而制造商则专注于其核心竞争力。C919的研制顺应了第五代创新潮流，采用中国自主整体设计、全球供应商提供部件、中国系统集成的方式，不仅可以从各个行业领头者企业中得到高品质的部件，还可以降低技术风险，加快创新速度。

第三，C919是一项技术系统，具有系统的整体性特征。C919可谓一个巨大而复杂的系统，包含数以万计的零部件，但是每一个零部件都不具有自由在空气中飞行的特性，如果把这些数以万计的零部件堆积在一起，放进一个金属箱子里，这没有任何意义，因为这些零部件在堆积物中和不在堆积物中的行为都是一样的。C919的整体性特征不是孤立状态下组成部件性质的总和，而是中国科研人员花了9年的时间研究这些数目庞大的零部件如何在一个有机的组合中达到预期的性能。这个研究过程需要注入科研人员的技术创造力，而非漫不经心的组装。

技术变迁通常要经历“发明-创新-扩散”这三个阶段，C919的产生一方面符合技术发明的组合模式，另一方面采用了当前技术创新惯用的发展模式，这注定了C919是大飞机技术变迁过程中一个重要环节。

四、结 语

技术活动中的发明活动就是将新技术部件和旧技术部件或者部件的集合组合到一个系统中去，使其具有特定的功能以帮助人们解决问题，满足人们的需求。发明通过心理模型的建构和机械表达，展示成为现实中的发明产品。这些概念和产品反过来作为组合要素被整合进新的发明中去，这个迭代的发明过程，使得技术不断累积、上升。从这一层面来说，中国研制的大飞机C919，既符合技术发明的组合特性，又遵循了当前创新的发展模式，它无疑是中国自主创新的重大成果。

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[3] HyejinYoun,DeborahStrumsky,LuisMABetten-court,et al.Invention as a combinatorial process:evidence from U.S.patents[EB/OL].[2017-09-10].http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/12/106/20150272.

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