2.2　常用创新设计的基本原理与法则

2.2.1　创新的基本原理

要进行创造和创新，形成创造性思维，主要有以下三种原理：

①发展原理。要创新必须树立发展的观点，要敢于打破旧框框，接受新事物，围绕原事物进行创新、进行完善，实现新功能。例如，飞机是打破了“比空气重的物体不能飞起来”的结论而发明的；自动包装机械是人工包装动作、半自动包装动作基础上发展起来的；锁式线迹缝纫机是打破了手工缝纫机工作方式（一枚针、一条线的缝纫），采用一枚针（针孔在针尖）、两条线（底线和面线）的锁式线迹方式创造出来的；为了实现机械动作而柔性化、智能化，采用机电一体化技术创造出了机电一体化产品。

②发散原理。对于某一功能机械方案的实现，不能局限于已经存在的解决办法，要从多方面去思考问题，寻求各种可能的方法。例如，机械传动形式不能只局限于齿轮传动、链传动、带传动，还应考虑采用液动、气动、磁动、电动等传动形式。又如，以车代步，不要只看到目前常见的轮子滚动，还要借鉴各种行走类型，包括人的两脚步行、禽的双脚步行、兽的四脚行走、龟的四足爬行、昆虫的六足行走、蟹的八足横行、蛇的游动行走、蚯蚓的伸缩行走等。思路一开阔，步行机械形式就大量涌现，利用发散原理就可以使创新方案层出不穷。

③触发原理。触发也是创新的途径。多观察各种事物，扩大知识面，获取各种信息，以此得到思维触发，设计出各种崭新的机械产品。例如，美国工程师杜里埃发明的汽化器，是从妻子喷洒香水的雾化现象得到启示。又如，人们通过鸟的飞翔，触发创造出飞机。再如，瓦特从沸腾水汽推动水壶盖得到触发而发明了蒸汽机。看起来两件互不相关的事物，可以通过触发而联系在一起，有点人们常说的“心有灵犀一点通”的意思，“灵犀”就是触发后的创新火花。

2.2.2　创新法则

创新法则是创造性方法的基础，灵活运用创造法则，可以在构思机械产品的功能原理方案时，开阔思路，获得创新的灵感。主要的创新法则有：

①综合法则。综合是将研究对象的各个方面、各个部分和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事物的本质和规律的一种思维方法。综合创新，就是运用综合法则的创新功能去寻求新的创造。先进技术成果的综合、多学科技术综合、新技术与传动技术的综合、自然科学与社会科学的综合，都可能产生崭新的成果。例如，将啮合传动与摩擦带传动技术综合而产生的同步带传动，具有传动功率较大、传动准确等优点，已得到广泛应用；数控机床是机床的传统技术与计算机新技术的综合；人机工程学是自然科学与社会科学的综合。从20世纪80年代开始形成的机电一体化技术已成为现代机械产品发展的主流，机电一体化是机械技术与电子技术、液压、气压、声、光、热以及其他不断涌现的新技术的综合。这种综合创造的机电一体化技术比起单纯的机械技术或电子技术性能更优越，使传统的机械产品发生了质的飞跃。例如，普通的X光机和计算机都无法对人的脑内病变作出诊断，豪斯菲尔德和科马克将二者综合，设计出了CT扫描仪，并使之进入临床医学应用中。这一仪器在诊断脑内疾病和体内癌变方面具有特殊的效能，从而使医学界一向梦寐以求的理想成为现实，因而被誉为20世纪医学界最重大的发现之一。他们为此而获得了1979年诺贝尔生理学医学奖。综合创造具有的基本特征有：综合能发掘已有事物的潜力，并且在综合过程中产生新的价值；综合不是将研究对象的各个要素进行简单的叠加或组合，而是通过创造性的综合使综合体的性能产生质的飞跃；综合创新比起开发创新在技术上更具有可行性，是一种实用的创新思路。

②分离法则。分离是与综合相对应的、思路相反的一种创新原理，它是把某个创造对象进行分解或离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，便于人们抓住主要矛盾寻求解决的思维方法。例如，音箱是扬声器与收录机整体分离的结果；脱水机是从双缸洗衣机中分离出来的。在机械行业，组合夹具、组合机床、模块化机床也是分离创新原理的运用。机械设计过程中，往往把设计对象分解为许多分系统和分功能，对每一分系统和分功能进行分析，再找出实现每一分功能的原理解，然后把这些原理解综合得出很多设计方案，因此，分离与综合虽然思路相反，但往往相辅相成，要考虑局部与局部、局部与整体的关系，分中有合，合中有分。

③还原法则。还原法则又称抽象法则，它是指暂时放下所研究的问题，反过来追本溯源，回到事物的起点，分析问题的本质，从本质出发另辟蹊径进行创新思考的一种模式。因为从创造原点出发，才不会受已有事物具体形态结构的束缚，能够从最基本的原理方面去探索新的设计方案。如洗衣机的研制，就是抽出“清洁”“安全”主要功能和条件，模拟人手洗衣的过程，使洗涤剂和水加速流动，从而达到洗净目的。无扇叶电风扇的设计是基于电风扇的创造原点是使空气快速流动，人们设计出用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属板振荡，导致空气加速流动的新型电扇。还原换元是还原创造的基本模式。所谓换元，是通过置换或代替有关技术元素进行创造。换元是数学中常用的方法，例如，直角坐标和极坐标的互相置换和还原、换元积分法等。探测高能粒子运动轨迹的“气泡室”原理，就是美国物理学家格拉塞尔运用还原换元原理发明的。一次，格拉塞尔在喝啤酒时，看到几粒碎鸡骨在掉人啤酒杯里时，随着碎骨粒的沉落周围不断冒出气泡，而气泡显示出了碎骨粒下降过程的轨迹，他猛然想到自己一直在研究的课题——怎样探测高能粒子飞行轨迹。他想能不能利用气泡来分析高能粒子的飞行轨迹？于是他急忙赶回实验室，经过不断实验，发现当带电粒子穿过液态氢时，所经路线同样出现了一串串气泡，换元实验成功了，这种方法清晰地呈现出粒子飞行的轨迹，格拉塞尔因此获得诺贝尔物理学奖。

④价值优化法则。提高产品价值是产品设计的目标。价值工程就是揭示产品（或技术方案）的价值、成本、功能之间的内在联系，它以提高产品的价值为目的，实现技术经济效益的提高。它研究的不是产品（或技术方案）而是其功能，研究功能与成本的内在联系，价值工程是一套完整的、科学的系统分析方法。在设计研制产品或采用某种技术方案时，产品的价值为产品具有的功能与取得该功能所消耗的成本。显然产品的价值与其功能成正比，而与其成本成反比。创新活动应遵循价值优化或提高价值的理念。价值优化并不一定能使每项性能指标都达到最优，一般可寻求一个综合考虑功能、技术、经济、使用等因素后都满意的系统，有些从局部来看不是最优，但从整体来看是相对最优。价值优化的基本途径有：保持产品功能不变，通过降低成本，达到提高产品价值的目的；不增加成本的前提下，提高产品的功能质量，以实现产品价值的提高；虽然成本有所增加，但却使产品功能大幅度提高，使产品价值提高；虽然产品功能有所降低，成本却大幅度下降，使产品价值提高；不但使产品功能增加，同时也使成本下降，从而使其价值大幅度提高，这是最理想的途径，也是价值优化的最高目标。英国库特公司计划开发一种既能防止雨水进入屋内，又可使室内空气流通的新型百叶，设计人员通过价值分析，改变了传统的设计方案，采用允许雨水透过百叶窗，然后在窗的后面用凹槽收集雨水，再用细管将雨水排出室外的方案。新设计的百叶窗因方便操作、成本较低、使用寿命长，大大提高了市场竞争力。

⑤移植法则。移植法则是把一个研究对象的概念、原理、方法等运用于另外研究对象并取得成果的创作，是一种简便有效的创造法则。它促进学科间的渗透、交叉、综合。在自然界，植物在地理位置上的移植，不同物种的枝、芽的移植嫁接，医疗领域的人体器官移植，都运用了移植方法。在机械创新设计方面，应用移植创新原理获得成功的例子也比比皆是。例如，在设计汽车发动机的化油器时，人们移植了香水喷雾器的工作原理；组合机床、模块化机床的设计移植了积木玩具的结构方式。

⑥组合法则。将两种或两种以上技术、产品的一部分或全部进行适当的结合，形成新技术、新产品，这就是组合法则。例如，台灯上装钟表；压药片机上加压力测量和控制系统等。组合创新的特点有：创新寓于组合中，进行组合需要创造性劳动，才能使组合的产品第一次出现于市场，为用户所接受，成为成功的组合创新产品；组合是推陈出新，利用现有的技术和物质组合出新的产品；组合后的产品整体性能优于组合前，也就是系统论中的“整体大于各孤立部分的和”；组合具有连锁反应，例如，微电子技术和计算机技术的广泛应用渗透到各个领域，出现了各类产品，推动了组合发展。

⑦对应法则。相似原则、仿形移植、模拟比较、类比联想等都属于对应法则。例如，机械手是人手取物的模拟；木梳是人手梳头的仿形；用两栖动物类比，得到水陆两用坦克；根据蝙蝠探测目标的方式，联想发明雷达等，均是对应法则的应用。

⑧逆反法则。用打破习惯的思维方式，对已有的理论、科学技术持怀疑态度，往往可以获得惊奇的发明。例如，虹吸就是打破“水往低处流”的固定看法而产生的；多自由度差动抓斗是打破传统的单自由度抓斗思想而发明的。

⑨仿生法则。自然界各种生物的形状可以启示人类的创造。仿生法不是自然现象的简单再现，而是在研究其工作原理的基础上，用现代设计手段设计出具有新功能的仿生系统。这种仿生方法贯穿于创造性思维的全过程中，是对自然的一种超越。例如，模仿鱼类的形体来造船；模仿贝壳建造餐厅、杂技场和商场，使其结构轻便坚固。再如鱼游机构、蛇行机构、爬行机构等都是生物仿形的仿生机械。

⑩群体法则。科学的发展使创造发明越来越需要发挥群体智慧，集思广益，取长补短。群体法则就是发挥“群体大脑”的作用。