理论的门锁发展分析

文/东北大学机械工程与自动化学院 彭怀志 崔盛兰 赵新军

图1 觿

1 引言

随着科技与文化的发展，门锁的分类也在不断的演变中变得更加多样，不同的场合对门锁的形式与安全性要求也各有不同，不过门锁还是大多数应用于家庭场所或公共场所，以保证个人财产或公共财产的安全。随着生活品质水平的逐步提高，市场对门锁的使用需求也不断增多，不同种类的新型门锁也在逐渐走入人们的视野中。本文基于TRIZ理论分析门锁的发展与演变，进而预测未来门锁的发展趋势，为该类产品的设计生产贡献有价值的建议。

图2 木锁

2 门锁的发展与演变

2.1 觿

最早的时候，人们利用绳索把门牢牢捆缚，最后在开启处打上特殊的绳结，这就是最早的锁具雏形。这种紧紧捆死的绳结，只能用一个用兽牙或兽骨制成叫“觿（xī）”的工具才能挑开，“觿”就是最早的钥匙。（见图1）

2.2 木锁

具有实用性的第一代的门锁是竹、木结构的锁，即常说的门闩。据传，春秋战国初鲁国人鲁班改革了这种木制锁，装置了机关，在门的木栓上钻一个圆孔，内装上下两根圆木棍，圆孔和门正面所能看见的“一”字开口子相遇，开门或锁门，是用“山”字形钥匙通过“一”字开口子拨落门闩，使锁的保密性提高了一大步。早期木质锁由于结构简单、形体笨重，容易开启，现在在城市基本上绝迹，在农村也只有那些遗留下来的旧房子，深宅大院的双开木门才有这种木门锁。它是由木匠制作木门时，根据各家各户的木门特别制作的。也可以说它是木制的机关，因此。有人把它称之为木锁。（见图2）

2.3 铜锁

图3 铜锁

铜锁发展于汉代，昌盛于明清。在铜锁发展的历史当中，每一个朝代均有不同的铜锁。铜锁具有代表性的是西周的青铜锁、汉代的三簧锁，唐代的虾尾银锁和宋代的方身锁、明代的三色锁，清代的长命锁，都是那个时代铜锁的代表作。（见图3）

2.4 弹子锁

弹子锁，亦称弹珠锁、珠锁、锁簧锁或销栓锁，是现代常见的锁具结构。原理是使用多个不同高度的圆柱形零件（称为锁簧、弹子或珠），锁住锁芯。当放入合适的钥匙，各锁簧被推至相同的高度，锁芯便被拧开。（见图4）

图4 弹子锁

2.5 IC门卡锁

IC门卡锁目前很流行，因为其被加密后很难再复制，IC卡门锁主要由五部分组成：前台管理电脑，IC卡，IC读卡器，门锁，控制器。门锁本身由控制机构和机械执行机构组成。控制机构是一个独立的单片机系统，可以由功能卡或者控制器随时对其编程。正常工作时，读取插入的IC卡内信息并进行辨识，控制门锁。如通过校验则控制锁芯内的微电机执行开锁操作。机械部分由锁芯，外锁体，内锁体组成。锁芯包括锁舌与保险舌以及一系列机械结构，其中嵌入微电机。外锁体包括把手，离合机构，IC读写器，电气控制板以及指示灯等。

2.6 智能密码锁

智能密码锁具有操作快、修改密码比较简单随意、只需输入0—9数字即可开锁等优点。随着技术的完善智能密码锁的价格在不断下降，质量也在不断提升，智能密码锁以51系列单片机(AT89051)为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别和显示、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收传感器送来的报警信号、发送数据等功能。

图5 智能密码锁

2.7 生物识别锁

近年来，电子技术的进步促使门锁进化与革新，各种生物识别锁也随之出现，其原理是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等手段结合人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。

从上述门锁的发展历程中可以看出，门锁在形态、材料、原理等方面都在进行不断的完善与改进，每一次门锁的进化，其制造工艺都在不断的提升，制造精度更高，门锁作为家庭或公共环境的第一道卫士，其用户安全性、识别性、管理性用户操作的简便性与使用者的信任度都不断提升。

自2014年起，智能家居的概念开始走向成熟，智能门锁也渐渐被更多人所接受，它解决了传统门锁忘带、丢失钥匙等行为给用户带来烦恼，智能门锁通过指纹、密码等方式开锁，避免了携带钥匙的麻烦，还因其具备远程开门、临时密码等智能化操作，为用户提供更加便捷的家庭管理手段，因此成为用户在门锁选择上的更优选项。

图6 面部特征识别系统示意图

三、基于TRIZ理论的门锁的发展

3.1 门锁发展中所蕴含的TRIZ原理

门锁发展至今，材料、形态和功能原理上都发生了巨大的变化，其发展规律也是有迹可循的。TRIZ理论中提到，任何产品的发展与创新都有其规律性。门锁主要可以分为两部分，一部份为门锁的钥匙，一部份为锁题本身。从这两者都可以看到TRIZ理论的应用。

目前应用最广泛的弹子锁，最初的钥匙普遍为月牙形单排钥匙。为了提升门锁的安全性，应用了TRIZ的重叠放置原理，将弹子的牙花从单排变成了双排，分别有两组弹子进行开锁。除了弹子锁以外，酒店和公司中经常使用的IC门卡也是门锁中的一大分支。利用事先专业原理，事前存进门卡中的信息便可以进行开锁的操作。然而无论卡片还是传统的钥匙，通常都需要对其进行保管，大多数的酒店将门卡同时设置为房间的取电开关，这里应用了相关协调原理，既能给门卡一个固定的放置位置，还可以节约酒店的用电，一举两得。指纹门锁中，一般指纹的识别区域都放置在把手上，当用户握住把手做开门的动作时，拇指轻轻按压即可识别，这里应用了动作连续性原则，通过分析用户的行为动作，对指纹的识别区域进行设计，有效的节省了过度的开锁动作，整体行为更加自然与易懂。纵观门锁的设计，其中执行机构仍然为机械结构，进行了较大改动的为门锁的识别机构和传动机构。大部分门锁都是通过提高门锁识别机构的安全性和便捷性来达到改良的目的。这与TRIZ中的局部质量原理相吻合，通过提升局部的品质来改善产品整体的体验。

从弹子锁向智能门锁的转变之中，通过系统分离原理将原来的识别系统变成了电子软件的识别系统；利用条件分离原理将传统的钥匙变成了门卡，使其更具有普遍性，从而满足更为广泛的使用。

3.2 技术系统进化在门锁发展的应用。

技术进化路线和技术进化法则是当前TRIZ 研究的一个热点。根里奇•阿奇舒勒总结的 8 个技术系统基本进化法则分别是：（1）完备性法则；（2）能量传递法则；（3）动态性进化法则；（4）提高理想度法则；（5）子系统不均衡进化法则；（6）技术系统向超系统进化法则；（7） 向微观级进化法则；（8）协调性进化法则。每条法则之下又有若干条分支技术进化路线。门锁的发展也与技术系统进化模式有着密不可分的关系，运用这些技术进化法则就可以比较准确的判断出当前的门锁处于技术进化的阶段，然后基于进化法则和技术进化路线对产品的未来发展方向进行预测，根据预测结果定位产品技术发展和产品设计的方向。

图7 虹膜识别系统

在材料的选择上，从木质锁，到铜质门环锁，到合金弹子锁再到新材料的现代密码锁，在材料的选取与加工上，门锁的安全性、操作性、动态性都在不断提升；现阶段智能门锁选用的材料主要有太空铝材料、锌合金材料、不锈钢材料、纯铜材料以及一些新合金材料，随着材料的不断改良，门锁也变得更加安全，可靠，方便，以保证技术系统的生命周期更长。目前的前沿产品如虹膜锁（如图7）等新型技术的运用，更是对解锁方式加以更强的限定，包括可控性也不断提高。其解锁模式与方式的不断进化，符合TRIZ理论中增加系统的动态性与可控性原则。

在结构的不断进化过程中，从机械结构的转动完成开锁动作，到电子识别系统完成开锁动作，由机械场向电磁场等高级场进行转化，由单一的机械结构控制门锁开合，转化成现阶段已经实现的可以通过电路，电磁铁，声音控制，互联网控制门锁的开合，符合TRIZ理论中系统的自动化程度逐渐提升的进化模式。

与此同时，最原始的锁，可以分为钥匙与锁体两部分子系统，由于钥匙与锁体的对应关系，早期的门锁互开率较高，在不断的发展中，锁部分的识别性在不断提升，钥匙部分在被不断弱化，发展到现阶段的不需要钥匙解锁的新型门锁。随着门锁不断的改进，子系统都在进行不同程度的发展与进化。

最常用的弹子锁已经逐渐被密码锁取代，解锁的结构也由宏观的机械结构，向更加微观的电路转变，更有生物技术识别，让解锁方式向更加微观的原子结构演变，总体发展，从宏观系统向微观系统逐步转化。

人们最理想的开锁方式，莫过于人不用进行任何动作，由门锁系统自主识别匹配的开锁条件，完成整个开锁过程，从弹子锁到密码锁再到智能门锁，整个开锁系统在向着理想度不断提升的方向发展。门锁也在其悠久的优化过程中，呈现出一副更加理想化的姿态。

4 未来门锁的发展趋势分析

目前，国内包括机械锁在内的整个门锁市场规模为百亿元级别，但是已安装智能门锁的家庭比例很低。而这一比例在韩国为80%以上，欧美很多国家也超过50%。腾讯家居《中国智能锁消费者分析报告》显示，智能锁行业仍处于发展初期阶段，但未来考虑购买指纹锁的潜在用户约占66%的比例。由此可见，智能门锁拥有较大的发展空间。

但正如之前说提到的，门锁的发展符合TIRZ理论中的多个技术进化模式，其由低级场向高级场转化的同时，也带来了一些其“进化”所导致的问题，新型门锁的维修，更换，以及支撑门锁运作的能源问题都值得进一步的发展与改良。

未来门锁的发展方向大致分为以下几点：

1. 门锁将作为智能家居系统的一部分，与其他家居设施结合，智能家居系统结合人工智能技术，将整个家居系统转化成APP中的交互界面（如图8），门锁作为保护整个智能家庭安全的第一道防护网，也将成为智能家居系统中尤为重要的一部分，APP的可移动性操作让智能锁的开锁及管理变得触手可及。与此同时智能开锁、智能报警、智能监控等功能加以结合，有效解决开锁、报警、监控以及发生的突发问题。

2. 取消子系统中钥匙这一部分系统，TRIZ理论中有子系统协调性进化的法则。钥匙作为门锁的一个子系统，在整个门锁的不断改良进化中被逐渐取替，避免钥匙丢失，遗忘等问题，现存的技术也已经实现了舍弃实体的钥匙，以密码、指纹、虹膜、面部识别等实现解锁的目的，而作为门锁的一个未来发展趋势，技术人员也将会运用生物技术，继续寻找高效快捷、安全且针对每个人都具有特异性的解锁方式开发新产品。

3. 随着时代的发展，好的产品设计更是需要注重用户体验，智能锁本身的特殊性决定了门锁的快速发展必须保证用户的足够的体验，没有足够体验的产品消费者会比较难接受的。

图8 远程遥控

4. 门锁发展中电场等高级场的引入，也导致人的动作不能作为开锁的单一源动力，现阶段的许多电子锁中大多运用蓄电池或可更换电池来为门锁运作提供能源（如图9），以应对停电等电力系统暂时短缺的问题。未来由于科技的不断发展，新型能源也可能会运用到门锁的动力供应上，智能门锁在未来的续航能力也会有所提升。

图9 电池门锁

5 结语

门锁的发展和演变体现了诸多TRIZ理论的应用，每个人都在追寻个人财产或公共财产的安全，因此门锁的不断革新与进步就显得尤为重要。而门锁的发展距今已有几千年的历史，几千年的智慧与文化积淀，促成了现阶段技术科技愈来愈完善的新型门锁，而人们对门锁的研究与改进也在稳步向前，并且门锁是每一个家庭，公司，不可或缺的产品，需求度越高，产品完善的速率也越高，因此，门锁的发展与进化将不断伴随着科技的发展为人们提供更加安全、舒适、方便的门禁产品。