锦囊妙计（下）——技术矛盾与40个发明原理

颜惠庚 李 弘

（常州市技术创新方法研究会，江苏 常州 213031）

4 40 个发明原理

40 个发明原理是TRIZ 九大经典理论之一。如果说门捷列夫的元素周期表使人类对物质世界的认识从混沌走向光明，那么阿奇舒勒的40 个发明原理则从根本上揭示了技术创新的内在规律，使发明创造从神秘走向科学，它是工业文明时代的孙子兵法。

4.1 40 个发明原理的由来

阿奇舒勒及其助手在对海量专利进行分析研究的过程中获得了一个重要发现：在以往不同领域的发明和创新中所用到的原理与方法并不多，不同时代和不同领域发明的应用原理与方法被反复利用。

阿奇舒勒认为，大约只有20%左右的专利才称得上是真正的创新（首创），许多宣称为专利的技术其实早已经在其他的产业领域中出现并被应用过。他的研究人员对从200 万份专利中精选出来的40 万多份世界顶级专利进行了研究、分析与归纳，并从中提炼TRIZ 中最重要的且具有普遍用途的发明原理（图1），结果发现：这些专利可以归纳为用40 个原理解决了39 个参数中某两个参数之间的矛盾。由这个结果可以得出一个结论：解决技术发明（创新）问题所使用的发明原理是有限的，只有40 个。换句话说就是，可以用有限的原理来解决无限的问题。

图1 TRIZ 理论来源于专利研究

表1 40 个发明原理

一句话总结：掌握了40 个发明原理，也就掌握了打开创新大门的钥匙。

4.2 40 个发明原理详解

(1) 发明原理1：分割原理（Segmentation）

分割原理是指以虚拟或真实的方式将一个系统分成多个部分，以便分解（分开、分隔、抽取）或合并（结合、集成、联合）一种有益的或有害的系统属性（图2、图3）。分割原理体现在三个方面：

图2 智力拼盘

图3 百叶窗帘

① 将一个物体分割为相互独立的几个部分；

② 使一个物体分为容易组装和拆卸的部分；

③ 增加物体被分割的程度，以实现系统的改造。

(2) 发明原理2： 抽取原理（Extraction，sepration，removal）

抽取原理是指从整体中分离出有用（或有害）的部分（或属性），化工单元操作中的过滤、精馏与萃取都属于抽取原理（图4、图5）。抽取原理体现在两个方面：

图4 筛子

图5 血糖监测仪

① 将物体的“负面”的部分或特征抽取出来；

② 从物体中抽取必要的部分或特性。

(3) 发明原理3：局部质量原理（Local Quality）

局部质量原理是指在一个对象中，特殊（或特定）的部分应该具有相应的功能或条件，能够最好地适应其所在的环境，或更好地满足特定的要求（图6、图7）。局部质量原理可以体现在三个方面：

图6 火锅勺

图7 二用橡皮

① 将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的；

② 让物体的不同部分具有不同功能；

③ 使物体的各部分处于各自动作的最佳状态。

(4) 发明原理4：增加不对称性原理（Asymmetry）

增加不对称性原理涉及从“各向同性”向“各向异性”的转换，或是与之相反的过程。各向同性是指无论在对象的哪个部位，沿哪个方向对某个属性进行测量，结果都是对称的；而各向异性就是指不对称，即对象的不同部位或沿不同的方向对某个属性进行测量，测量结果是不同的（图8、图9）。增加不对称性原理具体体现在两个方面：

图8 不对称雨伞

图9 不对称服装

① 将原来对称的物体变为不对称；

② 增加不对称物体的不对称程度。

(5) 发明原理5：组合原理（Combining，integration，merging）

为了提高效率或改善性能，可以将相同的物体或相类似的操作进行组合（图10、图11）。组合原理体现在两个方面：

图10 一体机

图11 情侣伞

① 在空间上，将相同的物体或相关操作加以组合；

② 在时间上，将相同或相关的操作进行合并。

需要指出的是，现在很多的新发明都是利用了组合原理。例如：毯子+电热丝→电热毯，蚊香+电加热→电蚊香等。

(6) 发明原理6：多用性原理（Universality，multi-functionality）

多用性或通用性是指将不同功能或非相邻的操作合并，使一个对象具备多项功能，从而消除了这些功能在其他对象内存在的必要性，使对象具备多用性，因而可产生在其他情况下不存在的机会及协力优势（图12）。多用性原理体现在两个方面：

图12 瑞士军刀

① 使一个物体具备多项功能；

② 消除了该功能在其他物体内存在的必要性后，进而裁减其他物体。

(7) 发明原理7：嵌套原理（Nesting）

嵌套原理是指通过递归的方法将一个对象放入另一个对象的内部，或让一个对象通过另一个对象的空腔而实现嵌套，即对象间彼此吻合、彼此组合、内部配合的性质（图13、图14）。

图13 俄罗斯套娃

图14 超市推车

(8) 发明原理8：重量补偿原理（Counterweight，levitation）

重量补偿原理是指通过一个相反的平衡力（浮力、弹性力或其他类似的力）来阻碍（或抵消）一个不良（或不希望有）的力（图15、图16）。重量补偿原理体现在以下两个方面：

图15 潜水艇原理

图16 塔吊的平衡重

① 将某一物体与另一能提供上升力的物体组合，以补偿其重量；

② 通过环境中空气动力、流体动力或其他力的相互作用，实现物体的重量补偿。

(9) 发明原理9：预先反作用原理（Preliminary anti-action，prior counteraction）

预先反作用原理是指根据可能出现的问题，提前采取行动来消除问题、降低问题的危害或防止问题的出现（图17、图18）。预先反作用原理体现在两个方面：

图17 汽车弹簧

图18 夹子

① 事先施加机械应力，以抵消工作状态下不期望的过大应力；

② 如果问题定义中需要某种相互作用，就需要事先施加反作用。

(10) 发明原理10：预先作用原理（Prior action）

预先作用原理是指在实施某种作用之前，预先执行该作用的全部或一部分（图19、图20）。预先作用原理体现在两个方面：

图19 邮票

图20 自带封口包装袋

① 预先对物体全部或部分施加必要的改变；

② 在最方便的位置预先安置物体，使其在第一时间发挥作用，从而避免时间的浪费。

(11) 发明原理11：事先防范原理（Cushion in advance，compensate before）

对可能发生的事情预置防范措施，以防止或降低危险的发生（图21、图22）。

图21 救生衣

图22 消防喷淋系统

(12) 发明原理12：等势原理（Equipotentiality）

改变工作条件，使物体上升或下降。等势原理与三个主要概念有关，可单独使用，也可合并使用（图23）。等势原理具体体现在三个方面：

图23 用空气托起硅单晶晶圆片进行扩散，防止接触污染

① 在系统或程序内所有的通过点，建立在同一个势能状态下已达成系统效益；

② 在系统内部建立相关性，使系统可以支持等势状态；

③ 建立连续与完全相连接的结合与关系。

(13) 发明原理13：反向作用原理（Inversion，the other way around）

这是TRIZ 最重要的原理之一：逆向思维。假如某事物以某特定方式构成或作用，尝试通过相反的方式构成或执行操作，以避免伴随的问题（图24、图25）。具体体现为三个方面：

图24 跑步机

图25 司马光砸缸

① 用相反的动作替代要求指定的动作；

② 让物体可动部分不动，不动部分可动；

③ 将物体（或过程）上下或内外颠倒。

(14) 发明原理14：曲面化原理（Spheroidality，curvilinearity）

使用弯曲或曲面的元件取代线性的元件，使用转动取代直线运动，使用滚轮、球或螺线（图26、图27）。具体体现在三个方面：

图26 盘山公路

图27 立交桥

① 从直线部分过渡到曲线部分，从平面过渡到球面，从正六面体或平行六面体过渡到球形结构；

② 使用柱状、球体、螺旋状等物体；

③ 从直线运动过渡到旋转运动，利用离心力。

(15) 发明原理15：动态特性原理（Dynamicity，optimization）

使系统的状态或特性变成短暂、临时、可移动、可调整、具有弹性或可变化的（图28），具体体现为三个方面：

图28 月球全地形车

① 物体（或外部介质）的特性变化应当在每一工作阶段都是最佳，即自动调节物体，使其在各动作与各阶段的性能最佳；

② 将物体分成彼此相对移动的几个部分；

③ 使不动的物体成为可动的。

(16) 发明原理16：不足或过度的作用原理（Partial or excessive action）

如果难于取得百分之百所要求的功效，则应当取得略小或略大的功效，此时可能把问题大幅度简化。

例如：印刷时喷过多的油墨，去掉多余的会使字迹更清晰。此外，在孔中填充过多的石膏，然后打磨平滑；用针管抽取液体时，不能吸入准确的计量，而是先多吸再把多余的液体排出，这样可以简化操作难度。这些都是此原理应用的典型案例。

(17) 发明原理17：空间维数变化原理（Moving to a new dimension）

此原理也叫一维变多维原理，改变线性系统的方位，使其从垂直变成水平、水平变成对角线或垂直等（图29、图30）。具体体现为五个方面：

图29 立交桥

图30 立体车库

① 如果物体作线性运动（或分布）有困难，则使物体在二维度即平面上移动；相应地，在一个平面上的运动（或分布）可以过渡到三维空间；

② 利用多层结构替代单层结构；

③ 将物体倾斜或侧置；

④ 用指定面的反面；

⑤ 利用投向相邻面或反面的光流。

(18) 发明原理18：机械振动原理（Mechanical vibration，mechanical oscillation）

对于一个方法使用振动或周期性震荡，使它变成规则与周期性的变化（图31）。具体体现为五个方面：

图31 电动平板混凝土振动器

① 使物体振动；

② 如果已在振动，则提高其振动频率直至达到超声波频率；

③ 利用共振频率；

④ 用压电振动器替代机械振动器；

⑤ 利用超声波振动和电磁场耦合。

(19) 发明原理19：周期性作用原理（Periodic action）

改变施行作用的方式，可以达到所要的效果（图32、图33）。具体体现为三个方面：

图32 警车灯

图33 红绿灯

① 从连续作用过渡到周期作用（脉冲）；

② 如果作用已经是周期的，则改变运动频率；

③ 利用脉冲的间歇完成其他作用。

(20) 发明原理20：有效作用的连续性原理（Continuity of a useful action）

建立连续性的作用或移除所有停滞、间接的运动以增进效率（图34、图35）。具体体现在两个方面：

图34 菜刀往复运动剁肉馅

图35 绞肉机刀片连续旋转切肉馅

① 物体的所有部分一直满负荷工作；

② 消除空转和间歇运转。

例如：用计算机硬盘（旋转运动）代替磁带（往复运动）进行数据存储。

(21) 发明原理21：减少有害作用的时间原理（Rushing through）

若某事物在一个给定速度下出现问题，则使其速度加快，即快速执行一个危险或有害的作业，以消除或减少有害的副作用。

例如：无针注射器。此类注射器没有传统注射器的针头，它是将药物先储藏在一个出药仓内，再通过其内部的机械装置产生高速、高压药物流将药物直接压入人的皮肤内。由于注射器注射速度极快，因此不会损坏皮下组织和血管，且有减痛的效果。

再如，快速切割塑料管以免其变形；牙医使用高速电钻，避免烫伤病人口腔组织；照相机的闪光灯等都是此原理应用的典型案例。

(22) 发明原理22：变害为利原理（Convert harm into benefit）

有害作用已经存在，寻找各种方式从中取得有用的价值。具体体现为三个方面：

① 利用有害因素尤其是对环境有害的影响获得有益的效果；

② 使用另一个有害的作用来中和，以此消除物体所存在的有害作用；

③ 加大一种有害因素的程度，使其不再有害。

例如：垃圾发电、各类疫苗、从蛇毒中提炼抗毒血清、发电厂用炉灰的碱性中和废水的酸性、在潜水中使用氮氧混合气等都是变害为利原理的典型应用。

(23) 发明原理23：反馈原理（Feedback）

将一种系统的输出作为输入返回到系统中，以便增强对输出的控制（图36、图37）。具体体现在两个方面：

图36 感应式水龙头

图37 无线远程城市照明管理系统

① 通过引入反馈来改善系统性能；

② 如果系统已经引入了反馈，则改变其大小或作用。

(24) 发明原理24：借助中介物原理（Mediator，intermediary）

利用某种可轻松去除的中间载体、阻挡物或过程，在不相容的部分、功能、事件或情况之间通过调解或协调而建立的一种临时链接（图38）。具体体现在两个方面：

图38 餐厅服务生用托盘传菜

① 使用中介物实现所需动作；

② 把一物体与另一极易去除（或分开）的物体暂时结合。

(25) 发明原理25：自服务原理（Self-service，self-orgnization）

在执行主要功能（或操作）的同时，以协同或并行的方式执行相关功能（或操作）。具体体现在两个方面：

① 物体通过自补充或自恢复功能而服务于自身。

② 利用废弃的资源、能量或物资。

例如：杀毒软件病毒库自动更新、自动提款机、自攻螺丝、自补水饮水机、利用排气管的废气来充气的充气式千斤顶等都是借助中介物原理的典型应用。

(26) 发明原理26：复制原理（Copying）

利用一个拷贝、复制品或模型来代替因成本过高而不能使用的事物。具体体现在三个方面：

① 使用更简单、更便宜的复制品代替难以获得、昂贵、复杂或易碎的物体；

② 用光学复制品或图形来代替实物；

③ 如果已使用可见光复制品，进一步扩展到红外线或紫外线复制品。

例如：拍电影时搭建的场景、仿真玩具、航天器模拟驾驶仪、计算机虚拟现实技术（VR）等。

(27) 发明原理27：廉价替代品原理（Cheap，disposable objects）

此原理也称“一次性用品”，用廉价的物品代替一个昂贵的物品，在如使用寿命等某些质量特性上做出妥协。

例如：一次性纸杯、纸尿裤、眼镜、医疗口罩、注射器等，还有轻便雨衣、酒店里使用的一次性洗漱与清洁用品等都是廉价替代品原理的典型应用。

(28) 发明原理28：机械系统替代原理（Replacement of a mechanical system with “fields”）

利用物理场或者其他的形式、作用和状态来代替机械的相互作用、装置、机构及系统（图39、图40）。具体体现在四个方面：

图39 磁悬浮列车

图40 指纹锁

① 用光学系统、声学系统、电磁学系统或影响人类感觉的系统来代替机械系统；

② 采用物体相互作用的电场或电磁场；

③ 场的替代从恒定场到可变场，从定时场到随时间变化的场，从随机场到有组织的场；

④ 将场和铁磁离子组合使用。

(29) 发明原理29：气压和液压结构原理（Pneumatics or hydraulics）

运用空气或液压技术来替代普通系统元件或功能，即使用气体或液体代替物体的固体零部件，这些零部件可使用气体、水的膨胀，或空气、液体静压缓冲的功能。

例如：汽车的安全气囊、液压千斤顶、气垫船等。

图41 气垫船

(30) 发明原理30：柔性壳体或薄膜原理（Flexible membranes or thin film）

将传统构造替换为薄膜或柔性壳体。具体体现在两个方面：

① 使用柔性外壳和薄膜替代传统的结构；

② 用柔性外壳和薄膜把对象和外部环境隔开。

例如：鞋底的软垫、茶叶袋、塑胶手套、使用PE 塑胶来包装水果、充气儿童城堡、用薄膜分隔载不同液体的油罐车、防止灰尘的户外灯罩、蚊帐等都是柔性壳体或薄膜原理的典型应用。

(31) 发明原理31：多孔材料原理（Use of porous materials）

通过在材料或对象中打孔、开空腔或通道来增强其多孔性，从而改变某种气体、液体或固体的形态（图42、图43）。具体体现在两个方面：

图42 孔木吸音板

图43 泡沫塑料板

① 使物体变得多孔或加入多孔物体，如多孔嵌入物或覆盖物；

② 如果物体是多孔结构，在小孔中事先填入某种物质。

(32) 发明原理32：颜色改变原理（Changing color or optical properties）

改变对象或系统的颜色，以便提升系统价值或解决检测问题（图44、图45）。具体体现在四个方面：

图44 温感变色儿童勺

图45 透明公厕

① 改变物体或环境的颜色；

② 改变物体或环境的透明度；

③ 采用有颜色的添加物，使不易被观察到的对象或过程被观察到；

④ 如果已经添加了颜色，则考虑增强发光追踪或原子标记。

(33) 发明原理33：同质性原理（Homogeneity）

若两个、多个对象或者两种、多种物质彼此相互作用，则其应包括相同的材料、能量或信息（图46、图47）。

图46 面包碗

图47 食用色素

(34) 发明原理34：抛弃与再生原理（Rejection and regeneration，discarding and recovering）

抛弃或再生原来事实上是两条，后来合二为一。抛弃是从系统中去除某事物。再生是将某事物恢复到系统中进行再利用。具体体现在两个方面：

① 当物体中的某个元素完成其功能或变得不再有用时，可采用溶解或蒸发等手段来消除，或在系统运行过程中予以改变；

② 在工作过程中补充被消耗的部分。

例如：太空“水（尿液）回收系统”、可回收垃圾、可降解的垃圾袋、可再生能源与废热发电技术等。

在此原理中，时间是很重要的，一旦完成某种功能，立刻从系统中将它移除，或者立刻将其回复以便再度使用。

(35) 发明原理35：物理或化学参数改变原理（Transformation of the physical and chemical states of an object，parameter change，changing properties）

改变一个对象或系统的属性，以提供一种有用的益处（图48、图49）。具体体现在四个方面：

图48 不锈钢

图49 液化石油气

① 改变对象或系统的物理状态；

② 改变浓度或密度；

③ 改变柔性；

④ 改变温度或体积。

(36) 发明原理36：相变原理（Phase tranformation）

利用一种材料或情况的相变，来实现某种效应或产生某种系统改变。

例如：冰箱与空调制冷、金属热处理、气体液化存储与太阳能发电等都是利用了相变原理。

(37) 发明原理37：热膨胀原理（Thermal expansion）

利用对象受热膨胀的基本原理来产生“动力”，从而将热能转换成机械能或机械作用。具体体现在两个方面：

① 利用材料的热膨胀或热收缩；

② 组合使用不同热膨胀系数的几种材料。

图50 温度计

51 记忆金属耳塞

(38) 发明原理38：强氧化剂原理（Use strong oxidizers，enriched atmospheres，accelerated oxidation）

加速氧化过程（增加氧化作用的强度），以改善系统的作用或功能，是利用一级向更高一级的氧化过程。

例如：高压氧舱、纯氧抗老化面霜、负离子清洁机与臭氧机等均是强氧化剂原理的应用案例。

(39) 发明原理39： 惰性环境原理（Inert enviroment or atmosphere）

制造一种中性（或惰性）环境，以便支持所需功能（图52、图53）。具体体现在三个方面：

图53 真空包装

① 使用惰性环境替代通常环境；

② 添加惰性或者中性添加剂到物体中；

③ 在真空中完成某种操作。

(40) 发明原理40：复合材料原理（Composite materials）

通过将两种或多种不同的材料（或服务）紧密结合在一体而形成的复合材料。

例如：复合的环氧树脂、碳素纤维高尔夫球杆、玻璃纤维制成的冲浪板、防火衣、快速排汗衣、涤棉面料或陶瓷绝缘子等均是复合材料应用案例。