Академическое изобретательство: междисциплинарный подход

АКАДЕМИЧЕСКОЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВО: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПОДХОД

День Радио 7 мая позволяет нам восхититься, и с каждым годом всё более глубоко, мировым достижением А. С. Попова, который не имея достаточного материального обеспечения, без должной поддержки академического руководства и общественности открыл на уровне привилегии новую для того времени область радиосвязи, как оказалось, на благо будущего всего человечества.

В наше время, изучая ещё на первом курсе дисциплину «Введение в специальность», студенты знакомятся с элементами радиоэлектроники при обязательном упоминании достижения А. С. Попова и именно в связи с его академической изобретательской деятельностью, что позволяет обратить их специфическое внимание на существование и независимое развитие изобретательского направления в образовании, технике и науках.

Для поддержки и развития студенческих интересов в постижении и создании новой техники во многих учебных заведениях читаются соответствующие учебные курсы, выпускаются различные учебно-методические материалы. Так, наши материалы опубликованы по направлениям «Поискового проектирования» [1 — 5], а в расширенном виде изданы, в том числе за рубежом, под названиями «Академическое изобретательство» (АИ) [6 — 10], что показалось издателям более приемлемым, учитывая ранее вводившееся автором название «АИ» [11, 12].

АИ характеризуется общей методологией по отношению к различным направлениям развития техники и, соответственно, предполагает интегрированный междисциплинарный подход. Например, методические средства АИ для детской игрушки «Ванька-встанька» [6, 13] формально пригодны и для АИ радиоэлектронной системы [6, 14], что очень удобно использовать в педагогическом процессе, в формировании у студенчества эмоционально-творческого отношения к технике. Покажем это на примерах применения метода экспресс-изобретательства (МэИ) [1 — 12] в различных областях техники.

В области производства детской игрушки известна во многих модификациях игрушка «Ванька-встанька» (или «Неваляшка»). Основные процедуры МэИ для разработки нового технического решения в этой области могут быть следующими.

• 1. Поиск предметной области изобретательства проводится в соответствии с возможностями защиты результатов в качестве квалификационной работы. При этом привлекаются все доступные информационные поисковые системы, особенно сайта fips.ru. Для нашего учебного примера предметной области соответствует рубрика Международной патентной классификации (МПК): A63H15/06 «Игрушечные фигурки, движущиеся под действием силы тяжести — „Ваньки-встаньки“» .
• 2. Выбор объекта изобретательства производится при изучении патентного фонда, в процессе которого формируются личные интересы в предметной области и осознаются ограничения. Отобранные изобретения составляют личный патентный фонд. В рассматриваемом сквозном примере в качестве объекта определена «Обучающая игрушка» по классу МПК A63H15/06, а патентный фонд составили аналоги, представленные на рис. 1.

3. Информационные исследо-вания проводятся по процедурам поиска, обобщения и сжатия информации путем структурно-функционального анализа. Выделенные объекты-представители характеризуются следующими признаками.

Таблица 1.

Общеизвестная игрушка «Ванька-встанька» выпускается промышленностью под артикулом БЛ-4040, имеет одно устойчивое состояние, в которое возвращается после приведения её в неустойчивое состояние и окончания цикла качаний.

В изобретении SU645661 (1979 г.) с целью расширения игровых возможностей введено второе устойчивое состояние (может качаться не только «на ножках» но и на «головке»).

В изобретении SU1641371 (1991 г.) с той же целью введено третье устойчивое состояние (может дополнительно покачиваться в положении «лёжа»).

Эти изобретения составляют цепочку аналогов от А-2 до А-0, по которым проводятся необходимые исследования развития конструкции игрушки во времени. По результатам исследований формируется композиционная прогностическая таблица 1.

• 4. Формирование нового обликового решения производится путем прогнозирования каждого композиционного признака по строкам композиционной таблицы и составления непротиворечивого обликового набора признаков, из которого с применением эвристических средств и учетом общих закономерностей развития технических систем композируется обликовое решение в виде функциональной схемы объекта, элементами которой являются функции F1, …, F4 с обликовыми значениями соответствующих композиционных признаков КF1, …, КF4, а связи между ними образуются на основе предшествующего опыта исследований в соответствии с типовым процессом функционирования.
• 5. Разработка нового технического решения проводится путем составления структурной схемы, элементы которой выбирают из элементов соответствующего функционального назначения, известных в рассматриваемой предметной области, в частности, из элементов, входящих в схемы рассмотренных аналогов. Связи между элементами образуются в соответствии с принципами функционирования аналогичных элементов и устройств. Для рассматриваемого примера разработана конструкция «Прогноз», представленная на рисунке, в виде монолитного корпуса с расположенным внутри каналом, по которому перекатывается шарообразный груз.
• 6. Патент на изобретение разработанного устройства получен по классу МПК A63H15/06, РФ № 2 090 234 [13].

В области медицинской техники рассмотрим изобретение акустического маммографа [14, 15]. Номера пунктов процедуры разработки сохраним прежними (но опустим подробные пояснения).

• 1. Поиск предметной области: класс МПК A61B8/13: «Томография» .
• 2. Выбор объекта изобретательства: «Акустический маммограф» по классу МПК A61B8/13; патентный фонд: SU 1 284 520, US 5 433 202, RU 2 139 679.
• 3. Информационные исследования:
  • — В ультразвуковом томографе SU 1 284 520 путем использования двумерного зондирования достигнуто повышение разрешающей способности без понижения точности. При этом формируется двухчастотный сигнал зондирования. Это по классификации поисковых средств [1 — 12] соответствует эвристическому принципу «интеграция» .
  • — В изобретении US 5 433 202 путем выбора оптимального времени для измерений достигнуто повышение разрешающей способности без понижения контрастности. При этом измерения проводятся в период R — R. Это соответствует эвристическим принципам «дифференциация, импульсация» .
  • — В изобретении RU 2 139 679 путем введения постоянной фокусировки и симметрии испытательного сигнала достигнуто повышение разрешающей способности без ухудшения равномерности изображения. Это реализуется посредством линзовой фокусировки и симметричного питания пьезопреобразователя. Поисковые средства соответствуют эвристическим принципам «дифференциация, интеграция» .

По результатам информационных исследований сформирована следующая композиционная прогностическая таблица 2.

Таблица 2.

• 4. Формирование обликового решения в виде функциональной схемы объекта [14, 15] проведено в соответствии с типовым процессом функционирования устройства.
• 5. Разработка нового технического решения проведена путем составления структурной схемы, связи между элементами образованы в соответствии с принципами функционирования аналогичных элементов и устройств.

На рис. 2 приведена структурная схема маммографа [15].

Технический результат изобретения состоит в повышении разрешающей способности по глубине за счет стробирования входного сигнала усилителя в течение интервала времени, соответствующего прохождению ультразвуком расстояния, равного значению пространственного разрешения на глубине расположения фокуса ультразвукового датчика.

6. Патент РФ № 2 286 094 на изобретение представленного устройства получен по классам А61В8/13, G01N29/38, G01S15/18.

В области энергетики рассмотрим изобретение системы управления аварией для атомной электростанции с несколькими реакторными установками [2, 16, 17]. Номера пунктов процедуры разработки сохраним прежними (но опустим подробные пояснения).

• 1. Поиск предметной области: класс МПК G21C 9/00 «Устройства противо-аварийной защиты, конструктивно объединенные с реакторами» .
• 2. Выбор объекта изобретательства: «Система управления аварией для АЭС с несколькими реакторными установками» по классу МПК G21C 9/004 «Устройства снижения давления»; патентный фонд: SU766347, JP2809734, JP2915012.
• 3. Информационные исследования:
  • — В изобретении SU766347 при обеспечения снижения давления в полости аварийной оболочки АЭС с целью снижения капитальных затрат, но без повышения риска развития аварии, использована противоположная часть наличного объема бассейна-барботера. Это по классификации поисковых средств [1 — 12] соответствует эвристическим приемам «инверсия», «адаптация» .
  • — В изобретении JP2809734 при обеспечении предотвращения или задержки выброса продуктов деления в полости аварийной оболочки АЭС в атмосферу с целью замедления развития аварии, но без существенного увеличения сложности конструкции, использована другая часть наличного объема. При этом полости двух аварийных оболочек соединены трубопроводами в единую систему. Это соответствует эвристическим приемам «интеграция», «адаптация» .
  • — В изобретении JP2915012 при обеспечении аварийной коммутации для двух ядерных реакторов с целью замедления развития аварии, но без существенного увеличения теплоемкости и выбросов в атмосферу при отказе системы отвода остаточного тепла, использована автоматическая коммутация задвижек трубопроводов, соединяющих полости аварийных оболочек. Это соответствует эвристическому приему «динамизация» .

Таблица 3.

По результатам информационных исследований сформирована следующая композиционная прогностическая таблица 3.

4. Формирование обликового решения в виде функциональной схемы объекта [2], проведено в соответствии с типовым процессом функционирования.

академический изобретательство междисциплинарный.

5. Разработка нового технического решения проведена путем составления структурной схемы, связи между элементами образованы в соответствии с принципами функционирования аналогичных элементов и устройств (рис. 3).

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано при строительстве и модернизации АЭС. Задачей изобретения является повышение эффективности защиты окружающей среды на АЭС с несколькими реакторными установками в случае развивающейся множественной аварии на двух и более реакторах. Система содержит противоаварийные оболочки 1, полости которых сообщены между собой по схеме «каждая с каждой» посредством трубопроводов 2 с задвижками 3, а посредством коллектора 4 с коллекторными задвижками 5 сообщены с вентиляционной трубой 6, и снабжены датчиками 7 давления, выходы которых и управляющие входы задвижек соединены с соответствующими входами/выходами управляющей ЭВМ 8, соединенной с терминалом 9. Технический результат состоит в повышении управляемости развивающейся множественной аварией на двух или более реакторах.

6. Патент РФ на представленное изобретение получен по классу МПК G21C9/004, № 2 178 210 [19].

В области радиоэлектроники рассмотрим изобретение системы радиосвязи [7, 8] с применением цифрового моделирования. Изобретение разработано, запатентовано и защищено в качестве магистерской диссертации [18 — 21]. Номера пунктов процедуры разработки сохраним прежними.

• 1. Поиск предметной области: класс МПК H04B7/26: «Системы радиосвязи, т. е. системы с использованием излучения, для связи между двумя или более станциями, из которых по меньшей мере одна передвижная» .
• 2. Выбор объекта изобретательства: «Центральная станция системы радиосвязи с доступом по запросу» по классу МПК Н04В7/26; патентный фонд: SU1142896, SU1411985, RU2050695.
• 3. Информационные исследования:
  • — В изобретении SU1142896 путем сокращения перерывов достигнуто уменьшение времени простоев без понижения пропускной способности. При этом сообщения переменной длины реализуются за счет фиксации конца текста. Это по классификации поисковых средств [1 — 12] соответствует эвристическому приему «адаптация» .
  • — В изобретении SU1411985 путем использования общей полосы частот достигнуто ускорение доставки без понижения точности. При этом запросы идентифицируются по форме сигнала. Это соответствует эвристическому приему «адаптация» .
  • — В изобретении RU2050695 путем ограничения уровня загрузки достигнуто повышение эффективности без снижения надежности. Это реализуется исключением низкоприоритетных сообщений. Поисковое средство соответствует эвристическому приему «адаптация» .

По результатам информационных исследований сформирована композиционная прогностическая таблица 4.

• 4. Формирование обликового решения в виде функциональной схемы объекта [18], проведено в соответствии с типовым процессом функционирования.
• 5. Разработка нового технического решения проведена путем составления структурной схемы, связи между элементами образованы в соответствии с принципами функционирования аналогичных элементов и устройств.
• 6. Сравнительное моделирование изобретения проведено для доказательства соответствия изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость» посредством компьютерного моделирования по методике сравнительного моделирования (МСМ) [4] в среде LabVIEW [5].

На рис. 4 приведены функциональная схема и вид панели управления собранной модели [20].

Таблица 4.

Эксперименты на модели показывают, что все процессы синхронизованы и имеют адекватный вид и характеристики. Так, например, по спектральным диаграммам видно, что при среднем условном уровне сигнала запроса ~10−5 сигнал ЦС на частоте f2 = 64 цикла на входе заграждающего фильтра превышает уровень ~10−2 (т.е. на 3 порядка), на выходе фильтра сигнал ЦС отсутствует, а на его месте (на частоте 64 цикла) наблюдается снижение уровня сигнала запроса в полосе режекции до ~10 -7 и ниже (т.е. достигается ослабление до пяти порядков). Поэтому может быть сделан общий вывод по результатам моделирования — рассматриваемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость» .

7. Патент на изобретение представленного устройства получен по классу МПК H04B7/26, РФ № 2 153 773 [21].

Многолетний опыт автора преподавания в технических вузах убеждает, что именно разработка и патентование технических решений в соответствии с изложенной здесь в кратком виде методологией АИ при междисциплинарном подходе повышают уровень общетехнической культуры и самоактуализации студентов, престиж и романтику научно-технического творчества, положительно отражаются на качестве квалификационных работ, особенно их творческой части, являются одним из решающих факторов готовности к практической деятельности и профессиональной мобильности, консолидируют усилия преподавателей, инженеров и студентов в развитии отечественного научного и технического творчества, обладающих огромным потенциалом для подъема российской экономики, культуры и повышения качества жизни в целом [Приложение, 1 — 60].

• 1. Мельников Б. С., Бодров В. Н., Обидин Г. И. Поисковое проектирование в оптоэлектронике: Учебн. пос. М. :Издательство МЭИ, 2000. 80 с. (Каф. электронных приборов).
• 2. Мельников Б. С., Горбатых В. П., Дубар А. Поисковое проектирование в атомной энергетике: Учебн. пос. М. :Издательство МЭИ, 2001. 80 с. (Каф. атомных электрических станций).
• 3. Мельников Б. С. Поисковое проектирование в электротехнике: Учебн. пос. / Под ред. Г. С. Мыцыка. М. :Издательство МЭИ, 2003. 84 с. (Центр инженерного проектирования МЭИ; Каф. электротехнических комплексов автономных объектов).
• 4. Мельников Б. С. Основы сравнительного моделирования / Под ред. В. Н. Бодрова: Учебн. пос. М. :Издательство МЭИ, 2002. 52 с. (Центр инженерного проектирования и каф. электронных приборов).
• 5. Мельников Б. С. Сравнительное моделирование в среде LabVIEW / Под ред. Г. И. Обидина. М. :Издательство МЭИ, 2003. 52 с. (Центр инженерного проектирования и каф. электронных приборов).
• 6. Мельников Б. С. Академическое изобретательство: культурологический подход // Сборник материалов XIII-ой Международной научно-практической конференции «Динамика эволюции человеческого интеллекта, этико-эстетического восприятия мира и художественного творчества» (Киев, Лондон, 10 — 14 ноября 2011 года). — Odessa: InPress, 2011. — 120 р. — С. 89−92.
• 7. Мельников Б. С. Академическое изобретательство // Радиотехнические тетради. Часть 1, 2010, № 43, с. 71−77; Часть 2, 2011, № 44, с. 71−77.
• 8. Б. Мельников. Академическое изобретательство. На примере изобретения радиотехнической системы. — Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 134 s.
• 9. Б. Мельников. Академическое изобретательство — 2. На примере изобретения системы управления аварией на АЭС. — Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011.
• 10. Б. Мельников. Академическое изобретательство — 3. На примере изобретений в электротехнике. — Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011.
• 11. Мельников Б. С. Академическое изобретательство. М. :Издательство МЭИ, 2003. 44 с. (Центр инженерного проектирования МЭИ; Каф. радиотехнических систем).
• 12. Мельников Б. С. Академическое изобретательство: социально-технологическая концепция // Тез. докл. пятых академических чтений МАН ВШ «Образование и наука на рубеже ХХI века: проблемы и перспективы развития». — Казань: МАН ВШ и др., 1999. — С. 200−204.
• 13. Мельников Б. С. Обучающая игрушка // БИ. 20.09.97. Патент RU 2 090 234, A63H15/06.
• 14. Жеребин А. Н., Мельников Б. С. Изобретение акустического маммографа // Одиннадцатая международная научно-технич. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т. — М. :Издательство МЭИ, 2005. Т.1. 452 с. — С. 166−167.
• 15. Жеребин А. Н. Акустический маммограф // БИ. 27.10.06. Патент РФ № 2 286 094, А61В8/13, G01N29/38, G01S15/18.
• 16. Горбатых В. П., Дубар А., Мельников Б. С. Поисковое проектирование систем управления авариями на АЭС / МЭИ (ТУ). — М., 2002. 30 с. Деп. в ВИНИТИ 01.02.202, № 207-В2002.
• 17. Дубар А. Система управления аварией для АЭС с несколькими реакторными установками / БИ. 10.01.2002. Патент RU 2 178 210, G21C9/004.
• 18. Семенов А. В., Мельников Б. С. Изобретение центральной станции системы подвижной радиосвязи с доступом по запросу //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятая междунар. научн.-техн. конф. Т.1. М.: Издательство МЭИ, 1999. — С. 169.
• 19. Семенов А. В., Мельников Б. С. Сравнительное моделирование центральной станции подвижной радиосвязи //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Седьмая междунар. научн.-техн. конф. Т.1. — М.: Издательство МЭИ, 2000. — С.148−149.
• 20. Семенов А. В. Исследование и развитие сравнительного моделирования РЭУС: Магистерская диссертация / Научн. руков. Б. С. Мельников. — М.: Каф. РТС МЭИ (ТУ), 2003.
• 21. Центральная станция системы радиосвязи с доступом по запросу / А. В. Семенов // БИ. 27.07.2000. Патент № 2 153 773, H04B7/26.