創造創新理論與實踐25(2 / 3)

當然強調技術性狀的可遺傳方麵“縻母”語言還是有指導性的。在新的

人工製品任何工程運作開始以前,人們常常需要對它的設計進行多次分析與

修正。適用於實際人工製品技術的“技術縻母”可以被獨立的傳遞、存儲、

恢複、變異和選擇。例如根據一份專利說明書裝配一個相應的人工製品。在

這裏還應當指出的是如果把人工製品的性狀要素引申到人工製品的基本原理

或物理特性,分解出相對持久不變的設計要素還是有可能的。仍以自行車為例,

所有自行車的輪必須是正圓形形狀,並以其外作用力和地麵附著力所形成的

力矩達到行駛功能,這設計要素是不可改變的。

最後,在某些製品中最顯著的非類似性在於生物有機體的基因組是一個

從孕育到發育的成長“機製”,而並非一個成熟形體的“藍圖”;而技術進化中,

來自遠緣“世係”的縻母經常重組,並且多體係(多血統)是通用法則。沒

有任何生物體能像計算機芯片那樣組合了來自化學、物理學、數學、工程學

等眾多不同學科領域的基本思想、材料和技術。生物體向獨立體物種的分化

是達爾文進化論的核心,卻難以適用於發明,而技術製品的進化樹(枝狀結構)

更像一個審計網絡而不是一個係統樹(枝狀係統)。

(2)直觀進化理論對技術係統進化的指導意義。

阿奇舒勒的技術進化理論是在技術實踐與實例(專利)綜合分析歸納基礎上來認識技術進化的客觀規律的,具有現實性和說服力。通過其歸納的矛盾矩陣(物理參數)和科學原理不僅為認識技術進化提供了客觀依據更對技術創新活動具有重要指導意義。阿其舒勒進化理論最明顯特點在於其直觀性,並且對進化機理也進行了必要的討論是很有價值的進化理論。

三、技術係統進化與創新

技術係統的進化規律是由技術及技術係統本質特性所決定的,並貫徹

其發展進程的始終,有總結過去指引未來的雙重作用。技術係統的進化受

到客觀環境的製約和人的主觀能動性的影響,形成循序變化和突變兩種機

製,但是其演化機理是客觀的也是不以人的意誌為轉移的;因此深入了解

技術係統進化的理論與規則,是從事創造與創新活動不可或缺也不可回避

的問題。下麵我們將就技術係統形成與進化的古今實例對技術演化作進一

步的討論與分析。

通過生物進化與技術進化法則的類比,可以認識到生物進化是通過遺傳

變異和自然選擇進行的。基因變異是進化本體的內部因素,而自然環境則是

·第五章.技術與技術係統·

影響進化的外部因素。生物進化當然也包括人類的進化。技術是人類征服和改造自然最基本,也是最重要的手段之一。技術進化,也同樣存在內部和外部兩方麵的影響因素,並可以劃分為主觀和客觀兩方麵,客觀的外部環境包括自然環境和已參與了主觀因素的社會環境,客觀的內部因素則是事物的自然特性和科學規律。主觀因素則是社會的基本需求與人的主觀意識和直接參與。這種人的參與,既表現為技術的進化形式也表現為生物的改良和異變;前文提到的爬架西瓜幫助農民增收的例子就是一個主觀意識下的條件改變實現創新的典型案例。

下麵將就技術係統中的進化法則,從技術係統構成及功能機理和相關問題角度做進一步分析和介紹:

1.以功能原理為基礎的技術係統演化

技術係統的存在以需求功能為目的。功能的實現過程必須符合自然規律,也即得到了科學原理的支持。係統的功能原理是客觀存在的,並不以人們是否已經認識到這種原理的內涵為存在條件。違反科學原理的係統功能是不可能實現的——如永動機。因此,可以認為係統功能原理既是係統演化的基礎,也是縻羈係統演化的主線。

鑽木取火與輪子應用技術是人類科學史具有重要意義的兩項發明,也展現了科學原理——功能原理應用的典型事例,作為“縻母”的技術演化進程。

發現“天火”造就的熟食和用火是人類文明史上重要的裏程碑,當自然火保存火種的方式已無法滿足生存的需求時,掌握取火技術便成了當務之急。在生產勞動實踐中,人類得以發明“鑽木”與“撞擊”兩項取火技術。

鑽木(以木鑽石或鑽木)的科學原理是摩擦生熱(物理原理)和可燃物質達到燃點後自燃(化學原理)兩項科學原理的融合。木材通過摩擦力轉化的熱能,首先碳化降低燃點,並在熱量達到燃點後燃燒,達到了取火的功能。

火柴的發明改變幾千年的取火方式,其技術進化表現為摩擦表麵與可燃物質的改變——用不同顆粒度的砂紙取代了木材(或石塊),而對應的摩擦兼易燃物用黏結有易燃的磷、硫磺、石蠟的細木材杆(一般為白樺)所取代,而取火技術的基本功能原理卻沒有改變、並足以彰顯技術演化的“縻母”特征。

安全火柴則是以磷(紅磷)砂紙取代了石質砂紙,實現易燃物的結構轉移,以避免了一般火柴在粗糙表麵均可取火的安全隱患。

以衝擊力為能量轉化媒介使物質自燃的取火功能原理與取火方式的技術,也是使用比較久遠的一種技術係統,其原始的技術過程是以石塊擊打燧石(俗稱火石)或含有燧石成分的石頭來實現取火功能的。燧石中含有稀土元素鈰、鑭等屬於易燃金屬,在衝擊力作用下產生碎屑;因其比表麵很大,與空氣接觸即可燃燒並釋放出大量熱量——即火花及顆粒達到高溫熾熱狀態,迸出的火花點燃易燃物達到取火功能。

衝擊取火技術是沿用比較久遠(幾千年)的一種取火技術,直至發明火柴技術前,也在不斷地演化,最早的演化方式是鐵(鋼)刀取代了石頭以增加打擊力強度和耐磨性,並以碳化棉(火絨)作為易燃物以降低燃點取火更為容易。

最早出現的技術創新是打火機,采用有齒摩擦輪使燧石顆粒更加細化(比表麵積增大)、易燃,而燧石也被人造燧石所取代,增加了稀土金屬的含量,更易於火花的產生和集聚;易燃物則使用燃點更低的汽油、燃氣,實現了取火的現代化。然而,必須指出打火機取火的基本功能原理並沒有改變,隻是通過分功能的演化與科學化,提高了取火的技術含量與質量,提高了功能效率。

輪子乃至與輪子技術相關產生的車的技術應用是人類科學史上又一項重要發明,也是科學原理應用的典型案例。

以“輪子”的技術發明為例來說明作用結構的進化規則。輪子的應用是從古保持至今的一項技術,已有6000餘年曆史。通過實踐中的認識和經驗總結(當時尚無具備科學總結的能力),使輪子的應用進一步擴大,主要有三個方向:即行走機械、動力機械與加工機械。

古人移動重物是在支撐麵上用人力直接拖曳完成的,滑動的摩擦力過大,費時、費力、功效也太低。在重物下墊上圓木(滾杠),由滑動摩擦轉變為滾動摩擦,不僅省力,“功效”也大為提高。最早的滾動技術是一根根整體的圓木(滾杠),雖然起到減少阻力的作用,但也出現圓木直徑小,大圓木使用不方便等矛盾。將大型圓木鋸成餅形,便成為輪子的雛形。把兩個輪子中心掏空,中間穿上細一點的圓木軸,代替滾杠進一步達到省力、便捷的目的。在軸上裝上平板則成為“車”。這也就成為輪子作為實用技術的起源。考古學家發現表明,約公元前4000年有輪子的運輸工具(車)在美索不達米亞平原被發明,在很短的時間內便得到迅速傳播。a 人力車、畜力車用於戰爭、運輸長達近6000年直至發明汽車、火車,而輪子的功能基本是一致的,這不能不說是技術曆史的奇跡。

輪子滾動技術是通過外力(推或拉)與支撐麵(地麵等)的滾動阻力形成的作用轉矩實現輪子滾動的,是以基本力學原理為技術基礎的。如果引用“縻母”概念輪子的性狀——形狀才是“縻母”,是技術進化的“根本”;至於輪

a【美】參見喬治·巴薩托著.周光發譯.技術發展史【M】,上海:複旦大學出版社2002:8-9

·第五章.技術與技術係統·

子的尺寸、結構、則是係統結構的問題,仍然在不斷進化之中。

輪子的結構進化引起性能的變化,而與車廂的結構變動的相關性並不十

分重要。

例證表明應用同種功能原理的技術係統(事物),由於需求環境(外界自

然條件、工藝條件、新知識、理論的產生等)和需求欲望的變化,技術係統

也在不斷地演化。具體有以下幾種方式:

(1)係統(子係統)結構的改進、創新、完善促進技術係統的演化

車輪子自身的結構演化更為明了和直接。最原始的輪子為整體切斷的圓木製成,不僅笨重而且不圓,使用功能和性能受到影響。為了使用需求,輪子的結構首先由整體輪改進為拚裝輪,使圓度得到改進,對原材料的選擇也得到較大的適應性。輪子(車輪)進一步進化為組合結構:由輪轂、輪緣、輪輻(含輻條幅板)組裝而成,增強輪轂強度的同時也起到減重作用。隨著新材料新技術的產生,輪轂內嵌裝了金屬套並在輪軸嵌入金屬條(間斷、均勻分布),演化為初級滑動輪承,繼而為滾動軸承所替代。而輪輞結構中首先在輪輞表麵加裝了金屬輞,增加了輪輞強度和耐磨性。隨著橡膠材料的使用,金屬輞為膠車胎和充氣膠車胎取代,完善了車輪結構,也增加了輪子附著性

(輪表麵有花紋)、耐磨性和減振性。上述例證顯示了單一功能基本結構隨需求、環境條件(如材料、工藝等)變化而產生相應的進化。在複雜的技術係統中,由更複雜的結構創新而帶來的功能性提高與進化,也是一種較為普遍的進化形式。

(2)技術係統材料替代、促進的技術係統演化

隨著生產與科學技術的發展,新材料層出不窮。作為係統輸入的物理材料的替代,使係統功能的性質、效能不斷地改善與提高,是技術係統演化的又一種形式。

打火機在係統原理不變的情況下以天然氣取代碳化棉乃至汽油使取火技術由低級步入高級。以橡膠充氣輪胎替代剛性輪胎不僅提高了“功能原理”的附著力、驅動性。也改善了車的減震性,並為提高車速創造了良好的條件。

(3)先進的工藝性是促進係統演化的又一項重要原因一個切實可行的技術原理和接近完美的結構設計要實現係統的良好功能,必須以先進的技術工藝為依托,才能實現和不斷地向高層次演化。

比如前麵例中的打火機的小型化、便捷化就需要儲氣機體和出氣口的密封和操縱打火、噴氣協調問題都須有精密加工的工藝保證。有時汽車行駛中,風阻占動力消耗的50%~70%(隨速度變化而變化),減少風阻需要良好的造型(比如流線型),這並非隻由車身設計所決定。好的造型,必須以良好的衝壓工藝為依托和保證。隻有先進的工藝技術,才能保證技術係統不斷地優化、推陳出新。

(4)控製子係統的優化與創新

控製子係統是對直接功能係統傳輸信號和指令輔助係統,卻是直接影響技術係統功能的重要組成部分。近幾年來隨著科學技術飛速發展,電子與計算機技術領域取得了長足的進步,也更加快了技術係統演化速度。比如:技術係統中前饋與反饋控製的應用,有效地提高了輸出功能的品質與效果。加工中心的控製中樞與計算機的有機的結合又可以實現複雜零件(如箱體)的自動化一次成型。用傳統的加工原理與整合——加工設備完成了工序的工作。至於3D 打印機技術,稱得上技術係統完美的典範。