老龄化背景下运用TRIZ 理论与设计思维的智能床垫研究*

郑茹萍，刘 旭

（河北工程大学，河北 邯郸 056000）

据全国第七人口普查显示，中国老龄人口达2.64 亿，占比为18.7%，较2011年上涨了约5.4%。在国际通用标准中，若大于65 岁的人在总人口中占比高于7%或大于60 岁的人在总人口中占比高于7%，则说明进入了老龄化社会。据统计显示，中国大于60 岁的人口在2014—2019年的涨幅约为1000 万，并预测在2020—2040年涨幅会增至1200 万。由此可见，中国老龄化趋势日益明显，失能老人身体上的缺陷使得其生活质量和幸福感降低[1]。改善失能老人的休息状况和保障他们的身心健康已经成为重要课题。本文将运用TRIZ 发明问题解决理论与设计思维结合的方式开发设计一种新型智能床垫，来提升失能老人的自理能力和生活质量。

1 相关理论

1.1 TRIZ 发明问题解决理论

TRIZ 发明问题解决理论是由阿奇舒勒提出的，是他和弟子整理起来的一套理论体系。TRIZ 发明问题解决理论遵循技术发展规律，在多学科的基础上建立，以自然、系统科学为支撑，核心是解决冲突。它可以帮助设计者高效地分析当前所遇到的问题情境，快速瞄准问题的矛盾，找出问题的本质。为问题的进一步探索指明方向，分析全面且准确。它的特点是能够打破设计者的思维定势，以全新的视角观察问题，并进行分析，降低试错成本。TRIZ 经常依赖问卷调查的方式，这就使得用户往往不能清晰地将自己的需求表达出来。而设计思维则强调以人为本、人与自然的和谐统一，要设计出一款令失能老人满意的老龄化产品就必须具备这2 种因素。

1.2 设计思维

设计思维源自美国硅谷，是按设计师的思维方式总结的。TRIZ 是解决创新问题的途径，而设计思维是另一种解决方式[2]。设计思维是以人为中心，深入发掘用户需求从而寻求突破性创新[3]。它不仅注重设计的外观、性能、品质等，更重要的是注重用户需求，它注重人的需求和感受，是一种以人为中心的设计理念。这就发挥了用户的主观能动性，使得设计师在设计的时候可以参考顾客的感受、行为和反馈来进行多层次的设计，不会与实际情况相背离，更加贴近顾客的生活，从而设计出更具创造性的产品。可以运用头脑风暴、概念可视化来分析设计中遇到的问题，核心属性包括“溯因推理”“系统观”“创新”等，它不仅可以加强设计实践，还可以广泛应用于产品开发、设计、商业创新发展等多个领域。

2 TRIZ 理论与设计思维综合解决分析

在解决失能老人所面临的起身问题方面，可以运用设计思维以人为本的思想从顾客的需求出发提出问题，挖掘用户的实际需要，通过用户观察、用户反馈之后运用TRIZ 创新理论分析问题的矛盾所在，从而更好地解决问题。从老人的思想出发，站在他们的角度提出问题，挖掘失能老年群体真实需求，也就是刚才所说的要具备设计思维中的“同理心”。先利用设计思维中的“同理心”提出失能老人所面临的问题，再利用TRIZ 创新理论来分析并找到其解决方案。

3 基于设计思维的现有床垫问题分析

从设计思维角度分析失能老人使用床垫有以下几方面的困境：①难起身。由于失能老人自理能力较差，在没有他人帮助下很难离开床铺，久卧更会让他们的行动力减弱。②难保暖。电热毯的热量传播是不均匀的，温度也不能一直保持恒温，有时高有时低。③难识路。在夜间黑暗范围中寻找开关按钮对于老人来说会很危险，声控灯又容易打扰他人睡眠。④难睡安稳。现有老年震动床成本低，有噪声，不利于睡眠。⑤难保证健康。螨虫滋生，长时间入侵会对健康造成威胁。

4 基于TRIZ 的新型智能床垫设计思路

4.1 TRIZ 分析与解决问题模型

4.1.1 难起身——具有床椅转功能的智能床

分析问题，引入因果链分析。针对问题不断提问，追根问底，直至找出问题的本质原因，主要步骤如下：①列出初始缺点。失能老人自己起身时太费力。②寻找中间缺点。老人起身时需要借助外力的直接原因是床垫没有提供起身过程的支撑力。③确定相互关系。床垫没有支撑力可能是由于背板部或支撑板。④重复②③两步。建立因果链分析，如图1 所示。⑤从关键问题出发挖掘可能存在的矛盾。矛盾是指冲突，分为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指2 个参数之间的冲突，改善其中一个参数，会使另一个参数恶化，具体步骤为，问题是什么，在因果链分析中找到问题切入点；现在有什么解决方法，目前的解决方法改善了什么参数；上述方法的缺点是什么，导致哪些参数恶化。物理矛盾为对一个过程系统中的同一参数有着相反的要求，是参数内部的矛盾，比如要求物体的体积既要大又要小。在这里床垫资源成为了相关资源，突破点在于床垫可以使失能老人在休息时处于起身状态。比如床垫可以变成椅子，物理矛盾转化为床垫一方面是床垫，床垫一方面又不是床垫，可以是椅子、沙发等。⑥确定关键缺点与问题。背部板不能倾斜和坐部板不能倾斜。

图1 因果链分析

解决问题。该矛盾可用的发明原理为NO.2 抽取/分离原理。抽取/分离原理是把有正向作用的部分或属性保留，把有负面作用的部分或属性舍弃。对于床垫既应该是床垫又应该是椅子这一物理矛盾，可把卧床设计为可拆卸的，使得背板部、坐板部、腿板部使其能够独立改变位置，在不同的使用时间内能同时具备椅子和卧床的要求[4]。

4.1.2 难保暖——智能温控床垫

分析问题，功能分析模型。可以识别技术系统和超系统各组件间相互作用关系的分析方法。主要步骤为：①组件层次分析；②组件间作用分析；③组件间作用分析。通过对问题的技术系统、超系统和子系统进行划分，找出系统内组件，对有接触的组件进行两两分析，分析组件功能属性，利用规范的图形化描述建立系统的功能模型。为问题分析和解决打下基础。智能床垫的功能是提供热量，可以将床垫看作一个功能系统。工程系统包括床网、填充物、硅胶加热片等。超系统组件包括人、地面等。由此来识别组件，具体如表1 所示。

表1 智能床垫工程系统相互作用分析

识别并评估组件功能，如表2 所示。

表2 智能床垫系统的功能分析

解决问题，NO.2 抽取/分离原理。由分析可得，关键点在加热环节，电热毯热量传播不均匀，无法满足恒温需求。所以在这 里也出现了物理矛盾，即床垫温度既要高又要低。利用空间分离原理的方法解决难保暖问题中温度既要高又要低的物理矛盾。因为对于失能老人而言，对不同身体部位的温度要求也不同，所以可在空间上将其分离。把床垫分为多个独立部件，在不同的空间区域提供不同的舒适温度。

4.1.3 难识路——具有起身感知功能的床垫

分析问题，物-场模型。建立在功能分析的基础上，所有的功能都可以分为工具、工件和场，即2 种物质和1 种场，通过建立物-场模型发现有害作用、不足作用来判定矛盾所在。根据物-场表示的功能模型的类型就可判定矛盾所在。物-场模型分析是TRIZ 一个重要的发明创造问题的分析工具。一个庞大的工程系统可以分为多个小工程系统。解决黑暗中识路难关键是能够自如掌控开关。最终理想解为使灯能够在必要的时候开启，并且提供适当的光源。现存问题实质上是不足效应物-场模型，如图2 所示，关键问题是缺乏有效的场使灯光S1达到所需亮度。

图2 理想化起夜灯光物-场分析模型

解决问题，76 个标准解。可以运用完善物-场模型的方式来解决。根据76 个标准解的第6 条增加1 个附加物，如图3 所示，针对失能老人平躺和离开床垫的重力不同，可以借助压力传感器来增加压力[5]。

图3 TRIZ 76 个标准解N0.6

4.1.4 难睡安稳——电动摆动助眠床

分析问题，特性传递。互补功能系统指的是优缺点完全相反的系统，在传递时只传递优点，而不是某个功能或组件。在运用特性传递时需要分析各个功能系统的优缺点，将优点进行传递。对于现有震动床导致老人无法睡安稳这一问题，床垫系统的主要功能为匀速晃动。优点为成本低，缺点是有噪声。它的竞争系统可以是匀速摇晃的系统有钟表摆动、招财猫摆手等。接下来，要寻找柔性缓冲层。

解决问题，物-场模型。目前缺乏有效的物-场模型使失能老人安稳入睡[6]，图4 为对失能老人睡眠有帮助的有效物-场模型，找到有效的物质S2和场F，将具有相似功能的系统特传递至床垫，比如在坐飞机时更易入睡，这是因为破坏了淋巴液的平衡。所以加入柔性缓冲层，完善物-场模型，在打开控制按钮时有一个缓存作用，使床垫规律晃动来达到加速睡眠的效果。

图4 失能老人难以睡觉安稳的物-场分析模型

4.1.5 难保证健康

分析问题，特性传递。众多的螨虫容易使床垫滋生细菌，解决这一问题可以使用特性传递，分析问题工具来解决问题。床垫的主要功能为杀菌消毒。系统的优点为成本低，缺点是细菌滋生有害健康。它的竞争系统可以是臭氧、芦荟、酒精等，接下来寻找备选系统，为过氧化氢消毒技术。

解决问题，物-场模型。自带杀菌功能难以实现的原因是缺乏完整有效的物-场模型。为使床垫自身具备杀菌功能，可运用76 个标准解的第6 条。可将医疗系统中等离子过氧化氢消毒技术利用特性传递方法传递到床垫系统中去。

4.2 最终解决方案

综合上述分析，可以研发出一款自动起身、保持温度、自动开灯、消除噪声、保证健康这几个因素于一身的新型智能床垫。

5 结语

在中国老龄化背景的大趋势下，居家失能老人正面临健康服务困境，本文综合利用TRIZ 创新理论和设计思维融合的方法找出失能老人的真实所需，最终研究出一款具有床椅兼备、保持恒温、感应起身、摇摆助眠和自带杀菌功能的智能床垫。该床垫成本低、结构简单、操作简便，使失能老人可以无需借助他人来实现自己控制。体现了对失能老年群体的关心和关爱，使他们减轻心理负担。此外，将TRIZ 创新理论与设计思维的方法融合可以助推老龄问题解决更具人性化，增强其可实施性。