基于矛盾解决原理的资源节约型产品设计方法研究
时间：2023-02-24 19:30:07 来源：千叶帆 本文已影响人
■郑雨薇，丁凡倬，张继晓
(北京林业大学艺术设计学院，北京 100083）
1971年，美国设计理论家维克多·帕帕奈克（Victor Papanek）提出：“设计应该认真考虑地球有限资源的使用问题，设计应该为保护我们居住的地球的有限资源服务”[1]。他反对不安全、花哨、不当或基本无用的设计思想可以说是资源节约型设计的开端。现阶段，我国生态环境承载力持续降低[2]，资源耗竭、环境污染、生态退化等问题使自然资源的衰退进程明显加快且不可逆转，可持续发展面临严峻挑战[3-4]。在此困扰下，加强资源节约型产品的研究与应用是产品设计领域应对环境难题的重要对策，但设计者在运用传统的创新思维方法时，如头脑风暴法、试错法等，很难快速、准确地获得解决产品资源浪费问题的方法，或者在求解过程中为了达到某方面节约目的而在整个产品系统内制造出更多的矛盾，得不偿失。因此，本文将发明问题解决理论TRIZ引入到资源节约型产品设计中，以帮助设计者高效获得问题的解决思路，弥补以往设计求解方法的不确定性与低效性。
发明问题解决理论TRIZ是目前世界上公认的最为全面的实现技术创新的理论系统[5]。它通过分析梳理数百万份发明创造的运作原理和内在规律，总结出一套具有完整体系的解决发明问题的方法和工具，缩短了问题求解的时间。产品设计的过程实质上是解决问题的过程，近年来，TRIZ被越来越多地应用于产品设计领域，代替头脑风暴法等传统的问题求解方法，精准、高效地解决设计中的难题，如田钰彬[6]等将TRIZ应用于木塑复合家具设计中，以提高家具制造企业解决相关设计问题的效率；
曾盼盼[7]等将TRIZ应用于办公椅产品设计中，以提高办公椅产品创新设计效率；
刘小勇[8]等将TRIZ应用于产品感知设计中，重建产品感知设计方法以提高产品感知设计的效率等。尽管TRIZ能够帮助人们高效、准确地找到解决问题的方法，实现产品功能创新，但解决问题不是产品设计的唯一目的，换言之，产品的功能属性是产品设计的重心，但产品的情感属性更是如今产品设计中不容忽视的重要部分。由此可见，运用TRIZ高效解决产品存在的资源浪费问题的同时，还需要设计学的相关理论来完善最终方案，二者结合、取长补短更能发挥作用。
1.1 TRIZ与矛盾解决原理概述
1.1.1 发明问题解决理论TRIZ
发明问题解决理论TRIZ是由前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）与他的研究团队于1946年开始，在分析了世界上数百万份高质量的发明专利的基础上，提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论[9]。其解决问题的核心理念为：将不能立刻获得最终解的具体问题转化为TRIZ标准问题，然后通过TRIZ的基本理论方法和求解工具获得标准解，用以指导实际问题解决。TRIZ解决问题的一般流程见图1。相对于传统的创新方法，TRIZ是建立在科学和技术的方法基础之上，来源于人们的长期探索和对改造自然的实践经验总结，具有严密的逻辑性[10]，运用TRIZ能够加快发明创造的进程，提高问题的解决效率，实现产品创新[11]。
■图1 TRIZ理论解决问题的一般流程图
1.1.2 矛盾解决原理
矛盾解决原理是TRIZ重要的问题分析和求解工具。阿奇舒勒通过研究大量的发明专利发现，真正的发明是解决了隐藏在问题当中的矛盾，矛盾是发明问题的核心[12]。TRIZ将矛盾分为两类，一类是技术矛盾，即当技术系统的某个工程参数得到改善时，会有相应的工程参数发生恶化；
一类是物理矛盾，即对技术系统内的同一个工程参数提出了互斥的要求[13]。1970年，阿奇舒勒在对大量的发明专利进行分析后，总结了39个通用工程参数，2003年，美国科技人员在TRIZ理论的基础上对1500万份专利进行研究，增加了9个通用工程参数，矛盾矩阵由39×39扩充至48×48。矛盾解决原理求解流程见图2，其中为实际问题提供解决方案的40条发明原理是阿奇舒勒从大量发明方案所运用的普适方法中总结、提炼出来的。此外，为解决由技术系统内同一参数互斥所造成的物理矛盾，阿奇舒勒总结出时间分离、空间分离、条件分离和系统分离4个分离原理来消除物理矛盾。阿奇舒勒发现，在大多数情况下技术矛盾可以转化为物理矛盾，二者之间的相关性也使分离原理最终对应到40条发明原理来提供解决方案。
■图2 矛盾解决原理求解流程图
1.2 资源节约型产品概述
20世纪70年代，少数学者开始意识到人类对自然资源的过度消耗已对地球生态造成毁灭性影响，伴随维克多·帕帕奈克将“考虑环境因素“引入设计界，可持续设计登上了历史舞台。从20世纪90年代出现的绿色设计、生态设计，到2000年前后产生的从摇篮到摇篮的设计、情感耐久设计、可持续行为设计、系统设计等，减少资源使用始终是实现可持续发展的重要方法[14]。资源节约的方式也从关注产品个别过程的层面逐步扩大到关注产品整个生命周期的层面，以及到后来的资源循环再利用的系统层面；
发展的中心也从技术层面逐渐转向关注人的层面，开始注重人的情感与行为对节约资源的影响，见图3。尽管可持续设计的方法在不断更新与发展，但减少资源使用实现可持续的重要方式始终贯穿其中，与此相对应的产品类型，即资源节约型产品也一直在该进程中扮演重要角色。与此同时，资源节约的方式也伴随可持续设计的发展而不断得到扩充，但最终都是以消耗尽可能少的资源来使产品达到既定使用目的为根本目标。
■图3 可持续设计（方法）与资源节约理念的发展轴
根据世界自然基金会（WWF，2010）估计，2007年全球生态足迹的规模是1966年的两倍，如果这一趋势继续下去，这意味着到2030年人类将需要两个地球吸收产生的废物并保持自然资源消耗的能力。联合国的一项报告（2016年）也指出，到2050年，我们将需要三个地球来维持我们目前的生活方式[14]。我国自2005年提出了建设资源节约型社会十几年间，我国在节能减排等方面取得重大进展[15]，但我国人口基数大、资源相对短缺、环境承载能力较差的基本国情不变，日前我国进入新发展阶段，人均资源占有量少的矛盾将更加突出，2021年国家发改委发布的《“十四五“循环经济发展规划》也对建设资源节约型社会提出更高目标：到 2025 年，绿色设计普遍推广；
资源循环型产业体系基本建立；
废旧物资回收网络更加完善，覆盖全社会的资源循环利用体系基本建成；
用水量比 2020 年分别降低13.5%、16%左右等[16]。设计随社会的需要而产生并为社会服务，因此提高“资源节约型产品设计“服务于”资源节约型社会”的效率，积极探寻产品设计领域解决资源浪费问题的方法和途径，完善资源节约型产品设计系统，是实现新时代资源节约目标的必然要求。
2.1 基于3R原则的产品资源节约类型
3R原则，即减量化原则（Reduce）、再使用原则（Reuse）、再循环原则（Recycle），是绿色设计的基本原则，其目标是最大化利用地球上的有限资源，具体内容见表1。
表1 绿色设计原则及其内容
本文以3R原则的基本内容为分类依据，通过分析绿色设计及其发展的资源节约方法，提出了5类产品资源节约类型，分别为“减少产品自身组成物资的使用”，“减少产品完成特定功能所需物质的使用”，“减少产品完成特定功能所需能量的使用”，“延长产品的使用寿命”，“增强产品的通用性”，详见表2，其中资源节约方法归属的产品资源节约类型分析见表3。
表2 基于3R原则的产品资源节约类型分析
表3 资源节约方法归属产品资源节约类型分析表
2.2 解决资源节约型产品设计问题的矛盾矩阵构建
通过对以上五大产品资源节约类型的分析，将其转化为48个通用工程参数中对应的参数（待改善的参数），见表4，例如“减少产品自身组成物质的使用”对应待改善的参数为“2# 静止对象的质量。
表4 产品的资源节约类型及其对应待改善的工程参数
表中，五个工程参数的具体释义如下：
2# 静止对象的质量：在重力场中静止物体所受到的重力。
25# 物质的损失：对系统或物体做无用功所消耗的物质。
17# 静止对象的能量消耗：静止物体执行给定功能所需的能量。
13# 静止对象的耐久性：静止物体正常发挥功能的作用时间或服务寿命（物体失去功能前的寿命）。
32# 适应性：系统或物体应对外部变化的能力，或其能够在多种环境以多种方式发挥作用的可能性。
根据本文所涉及到的5个待改善的工程参数，截取48×48矛盾矩阵中#2、#13、#17、#25、#32工程参数所在行，形成仅适用于解决节约型产品设计问题的“5×48矛盾矩阵”，见表5。
表5 解决资源节约型产品设计问题的“5×48矛盾矩阵”（部分）
综上，该方法将矛盾矩阵中待改善的工程参数减少至5个，缩短了运用TRIZ理论解决问题的分析过程，即省略了矛盾构建步骤中运用通用工程参数对系统内待改善指标进行描述的过程，因此提高了解决资源节约类问题的效率，加快了节约型产品设计进程。
2.3 基于矛盾解决原理的资源节约型产品求解流程
（1）确定问题：对发现的有关资源浪费的问题进行分析，确定产品设计的资源节约类型，进而确定待改善的工程参数；
（2）构建矛盾：根据系统或产品的自身特点以及待改善的工程参数，确定相应恶化的指标（一个或多个），并运用通用工程参数对其进行描述；
（3）查询5×48矛盾矩阵：将待改善和恶化的工程参数代入，得到相交方格处推荐的发明原理编号；
（4）应用推荐的发明原理寻求解决方案。
在资源节约问题的分析过程中，有可能存在一个工程参数得到完善，随之有多个工程参数发生恶化的情况，此时应逐个尝试矛盾矩阵中为每一对参数推荐的发明原理组合，从而找出较为完善的解决方案。另外，当待改善的参数与恶化的参数为同一参数时（物理矛盾），除了应用矛盾矩阵中推荐的发明原理来解决，还可以运用4大分离原理来解决物理矛盾，具体流程见图4。
在针对产品设计“资源浪费问题“的求解过程中，对于难以快速找到解决方案的问题，可应用上述求解方法寻求解决思路。为了验证上述方法的可行性，本章节以现存皂盒无法解决”小皂块的浪费问题“，即”肥皂使用后期因体积变小难以继续使用而被丢弃“作为待解决的具体问题，通过代入本研究提出的”基于TRIZ矛盾解决原理的资源节约型产品设计流程“（见图4）中来探寻相应的解决方案。最后，运用美学、人机工程学等设计学理论来完善该方案，以保证最终得到的资源节约型肥皂盒“功能与形式的统一”，详细流程见图5。
■图4 基于TRIZ矛盾解决原理的资源节约型产品设计问题求解流程
■图5 基于TRIZ矛盾解决原理的资源节约型产品设计流程图
3.1 基于矛盾解决原理的资源节约型肥皂盒设计问题求解
（1）确定问题
①发现问题：当肥皂使用到后期阶段，人们往往会因为它外形过小、难以使用而丢弃它，造成浪费；
或想尽办法将其用尽，但方式麻烦、不方便。
②问题分析：
此次需要解决的问题是让使用到后期的小皂块容易被继续使用，减少浪费，因此对应表4中产品的资源节约类型为“减少产品完成既定功能所需物质的使用”，待改善的参数为25# 物质的损失。
（2）构建矛盾
若要改善小皂块的参数25# 物质的损失，使小皂块容易使用，则皂块的形状可能会发生变化，因此恶化的参数为9# 形状，该组矛盾为技术矛盾。
（3）查询5×48矛盾矩阵
将25＃ 静止物体的质量作为待改善的参数，将9# 形状作为恶化的参数，代入“5×48矛盾矩阵表”，获得推荐的发明原理见表6。
表6 推荐的发明原理
（4）应用推荐的发明原理寻求解决方案
通过分析，35# 状态和参数变化原理、5# 合并原理对于解决小皂块不易使用的问题有指导意义。根据35#原理提供“改变对象的物理聚集状态”的建议，可将不易使用的小皂块由块状改变成颗粒或粉末状，从而使其更易被取用。根据5#原理提供“在时间上将同类的（相关的、相邻的、辅助的）操作对象合并在一起”的建议，可将存放正常肥皂的皂盒与完成上述功能的结构合并在一起（二者的目的都是为了更方便地取用肥皂），既能存放正常的肥皂供人们日常使用，又能将不易取用的小皂块收集起来以继续使用，从而达到物尽其用的效果。
3.2 资源节约型肥皂盒的组成结构与使用原理
（1) 组成结构
根据3.1中提供的解决方案，即将肥皂盒设计成既能存放肥皂，又能将不易取用的小皂块收集起以继续使用的资源节约型肥皂盒。将满足上述两项功能的结构分为上下两部分，见图6，上部分为1#肥皂存放结构，用于存放正常的肥皂。下部分为“小皂块收集与分割结构”，组成该部分的结构依次为2#开合口，方便开合放入小皂块；
3#外壳；
4#推杆，推动推杆可将皂块分割成小颗粒；
5#连接轴，连接推杆与分割刀；
6#（挤压箱）滑盖，可上下移动挤压箱内小皂块；
7#挤压箱，收集与挤压皂块结构；
8#（挤压箱）分割网，将皂块分割成初始皂条；
9#连接杆，连接切刀与挤压箱滑盖；
10#分割刀，将通过分割网分割的皂条切断形成肥皂小颗粒；
11#承接结构，承接遗漏的肥皂小颗粒、沥水等。
■图6 资源节约型肥皂盒基本组成结构
（2）使用原理
为了使单手能顺利完成肥皂取用动作，该皂盒采用壁挂式的固定方式。翻开肥皂存放结构，将不易使用的小皂块投入挤压箱内，等待被挤压、分割成小颗粒状继续使用；
推动推杆，皂块被切割成小颗粒，从肥皂盒底部落入手中或其他接取物（抹布等）上。内部运作原理为推动推杆，推杆带动连接杆下头和分割刀向内移动，此时连接杆长度不变，（挤压箱）滑盖受连接杆的拉力作用向下移动，挤压皂块通过分割网被分割刀切成细小颗粒；
当连接杆下头向前移动到极限位置时，连接杆启用延长钢索以便分割刀继续正常运作，见图7。
■图7 资源节约型肥皂盒使用原理图
3.3 设计学理论优化资源节约型肥皂盒设计
TRIZ的矛盾解决原理以理性化的方式为小皂块的浪费问题提供了求解思路，但是资源节约型肥皂盒不仅要实现资源节约功能，还要为使用它的人带来良好的审美体验与使用体验。因此还需要运用设计学相关理论对其进行优化与完善，在实现资源节约的基础上促进人—产品—环境的和谐统一，从而使产品达到“能用、易用、好用”的设计目标。
3.3.1 基于人性化设计的资源节约型肥皂盒结构优化
（1）资源节约型肥皂盒取用结构设计
针对“将小皂块的块状变为颗粒或粉末状”的功能，本设计拟采用大拇指按压的方式来实现皂沫的取用，见图8，壁挂式皂盒与该方式结合能够让使用者仅通过单手操作便可轻松取用皂沫，简化皂沫取用行为的复杂度；
按压结构借鉴杠杆原理，尽量节省拇指按压时的用力。拇指按压推杆，皂沫落入手掌或接取物上（皂沫在一次按压情况下取用量不足时，可多次按压），取用完成后拇指离去，推杆在弹簧连接轴的作用下回归初始状态。
■图8 肥皂取用示意图
（2）肥皂存放结构的斜坡式设计
资源节约型肥皂盒在满足了节约功能后，还需避免其基本的“肥皂存放功能”被弱化。通过用户调研了解到，资源节约型肥皂盒用于存放常规肥皂处的积水问题成为用户关心的重点之一，因此本设计将上部分的肥皂存放结构设计成斜坡式，见图9，便于积水通过斜坡引流从开口排出。
■图9 肥皂盒斜坡式沥水结构
（3）储皂仓（挤压箱）的开合（口）设计
打开顶盖（存放部分），将不易使用的小皂块放入储皂仓（挤压箱）中备用。开合处采用凹口设计，见图10，一方面能够引导用户快速定位此处为开合结构，另一方面便于使用者轻松打开顶盖。
■图10 肥皂盒开合（口）结构
3.3.2 基于人机关系的资源节约型肥皂盒尺寸定位
根据市面上肥皂的平均大小确定肥皂盒的外型尺寸，为了不妨碍取用小皂粒动作的完成，承接结构距离上部主体结构约为半个手掌的长度，见图11。根据该肥皂盒的皂沫取用方式，需使“手掌—资源节约型皂盒”这组人机关系达到和谐状态，据统计成年人手掌长度范围为160～190mm，宽度为70～85mm。成年人完成皂沫取用动作，大拇指向前按动最舒适的距离为0～50mm左右，见图12，因此皂盒推杆的垂直移动距离不应超过大拇指前后移动的最佳距离50mm，同时储皂仓（挤压箱）的宽度应小于等于50mm。此外，为了使分割后的肥皂小颗粒准确地落入手掌，皂盒内挤压箱地宽度应参考成人手掌的平均宽度80mm。综上，资源节约型肥皂盒储皂仓（挤压箱）的尺寸见图13。
■图11 资源节约型肥皂盒尺寸
■图12 手掌长宽范围与使用状态下拇指移动最佳距离示意图
■图13 节约型肥皂盒挤压箱尺寸与推杆可移动距离
3.3.3 基于视觉审美的资源节约型肥皂盒外观设计
色彩是激发人的视觉审美、文化与情感认同的重要因素[17]。而材质在此基础上能够丰富产品的外观效果，通过刺激用户的视觉、触觉等使他们在看或触摸到产品时产生丰富的心理感受[18]。因此在设计中，合理的色彩、材料的选择与搭配对提升用户的审美体验、实现产品和环境的和谐统一具有重要作用。本次肥皂盒在色彩上选择饱和度较低的灰色调，材质上选择成本低、抗潮防腐能力强的磨砂塑料，二者结合带来的质朴与内敛之感使皂盒更好地与卫生间潮湿环境相容。此外，长方形的皂盒形状能够包容多种形态的肥皂存放，圆角设计使长方体更加柔和与安全。资源节约型肥皂盒的最终效果见图14。
■图14 资源节约型肥皂盒最终效果图（省略承接结构）
使用基于矛盾解决原理的资源节约型产品设计方法指导相关产品设计时，应注意：
（1）待解决的目标问题必须是与节约资源相关的问题，即寻求一种设计方式来解决产品某环节的浪费问题。
（2）该方法帮助设计者将待改善的具体问题转化为TRIZ标准问题，即根据需解决的问题将待改善的指标用本文给出的工程参数进行描述，但相应恶化的参数需设计者根据产品自身特点进行判断并运用39个通用工程参数进行描述[19]。
（3）优化设计方案所依据的设计学理论因产品而异，本文所采用的相关设计学理论只是针对资源节约型皂盒设计而言，设计者在使用该方法时应根据自己的产品需要选择合适的设计学理论来优化资源节约型产品设计。
设计的过程实质上是解决问题的过程，问题的逐一解决使产品由初始状态逐步接近或实现理想状态。与传统创新思维方法的不确定性和无目的性求解方式相比，TRIZ为创造性地解决问题总结出科学、系统和逻辑严密的方法和工具，对提升解决问题的效率、加快产品设计进程具有重要作用。但产品设计是一个复杂的过程，解决完整的设计问题同样离不开设计学理论的支撑。本文将TRIZ与设计学理论相结合，提出了一种基于TRIZ的矛盾解决原理的资源节约型产品设计方法，为高效解决产品资源浪费问题的提供了解决思路。但该方法目前只停留在解决产品层面存在的资源浪费问题，具有局限性，后续研究还需结合其他设计理论不断完善；
此外，该方法的本质是通过优化或创新产品功能来解决资源浪费问题，属于产品的技术层面，未来还需从社会学、心理学等更宽广的视角进行研究与分析，探索基于用户情感、行为等更高层面的资源节约方法。
