Патенты и лицензии, №10, 2014
Изобретательство: основные принципы
В своей статье Д.Ю.Соколов (sokolov@ntmdt.ru), руководитель патентной службы ЗАО «Нанотехнология-МДТ», предпринял попытку сформулировать основные принципы изобретательства.
Ключевые слова: изобретатель, изобретение.
Каждый настоящий изобретатель хочет остаться в истории. Один из вариантов этого – создание пионерного или значимого изобретения, которое позже сможет дать начало новому направлению в науке и технике.
Существует большое количество теорий и методов создания изобретений [1 – 4], в том числе и выдающихся. Создателем теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) является Г.С.Альтшуллер. Практически все теории изложены в толстых книгах, прочитав которые необходимо все эти знания держать в голове и садясь изобретать по мере необходимости доставать их оттуда. Такой путь возможен. Но при этом я знаю научных работников, которые изучив множество книг по изобретательству, ничего не изобрели.
Другой подход к изобретательству характеризует пример из океанского перехода на плоту «Кон-Тики», где участникам экспедиции приходилось решать десятки разных изобретательских задач. Во время шторма Герман Ватсингер оказался за «бортом» плота. И если бы Кнут Хаутланд перебирал 40 изобретательских принципов Г.Альтшуллера, пока Герман безуспешно пытался догнать плот, что бы было? Но Кнут, не зная этих принципов, прикрепил привязанный к плоту, но сбиваемый ветром спасательный пояс к себе и так смог доплыть до Германа. Интуитивно он использовал пятый принцип изобретательства – объединение. А вдруг и выдающиеся изобретения можно делать, не всегда обладая фундаментальными знаниями в области изобретательства, учитывая опыт «Кон-Тики»?
Рассмотрим несколько примеров создания значительных изобретений. Иногда это происходит при анализе вредных технических эффектов. Интересные примеры приводит В.И.Ковалев [4]. Супруги Лазаренко долгие годы боролись с электроэрозией, и, в частности, с разрушением электрических контактов. Безуспешность этой борьбы повернуло их изыскания в противоположное направление, и они изобрели технологию электроискровой обработки металлов. Диффузионная вакуумная сварка Н.Ф.Казакова родилась вначале в борьбе с вредным явлением образования нароста при резке металлов. Следует заметить, что в области сварки Россия с самого начала занимала лидирующее положение. Технологический рывок конца XIX в. требовал постройки мостов, нефтехранилищ, трубопроводов, дебаркадеров и других крупных объектов, при создании которых сварка обеспечивала герметичность и необходимую прочность. В 1881 г. русский инженер Н.Н.Бернадос продемонстрировал в Париже соединение металлов с помощью вольтовой дуги. Юнеско в 1981 г. отмечала столетие этого изобретения. В 1891 г. Н.Г.Славянов получил привилегии № 4693 на «Способ уплотнения металлических отливок» и № 4694 на «Способ и аппараты для электрической отливки металлов», что обеспечило изготовление цельнометаллических судов. В 1940 г. Е.О.Патон разработал сварку бронированной стали. Много других примеров изобретения новых методов сварки, возникших при необходимости решения новых задач, приведено в [5].
Следующий пример касается изобретения бронебойного снаряда. В середине XIX в. с появлением брони многие изобретатели пытались создать такой снаряд с максимально твердым наконечником. Но эти снаряды разлетались на куски при ударе о броню. Проблемой занялся и адмирал С.О.Макаров. Работа долго не давала результата. От безысходности сделали выстрел в корпус корабля изнутри. Было установлено, что даже обыкновенные снаряды легко прошивают броню, если выстрел происходит с ее внутренней стороны, где броня не закалена. Но как попасть туда снаряду? Макаров предложил снабдить закаленный снаряд мягким железным наконечником. В момент удара наконечник как бы приваривался к закаленной броне, и она легко разрушалась твердой частью снаряда. 
А вот «Кока-Кола» родилась по ошибке. Фармацевт Дж.Памбертон в лекарственный сироп влил вместо обыкновенной газированную воду. Г.Маркони, нобелевский лауреат 1909 г. «за признание заслуг в развитии беспроволочной телеграфии» не знал о прямолинейности распространения радиоволн, и в 1897 г. послал мощным передатчиком радиосигнал через океан. Все ученые того времени считали это бредом, ведь Земля круглая. Но установив на другом берегу Атлантического океана чувствительный приемник, Маркони сигнал принял. Ученые пять лет находились в замешательстве, но только в 1902 г. было предсказано существование ионосферы, способной отражать радиоволны, и замешательство прошло. Р.Кох, нобелевский лауреат 1905 г. за создание методик борьбы с туберкулезом, случайно забыл в лаборатории разрезанную картофелину, на которой за ночь выросли колонии микробов, и нашел способ выделения чистых культур микробов [6]. А.Сент-Дьердьи, получивший Нобелевскую премию 1937 г. за исследования, связанные с биологическими окислительными процессами, инициированными витамином С, прервал ужин, когда ему подали свежий красный перец, отправился в лабораторию и обнаружил в нем огромную концентрацию аскорбиновой кислоты, что помогло выйти на ее синтез. 
Интересно также рождение микроволновой печи. Исследователь П.Спенсер, изучая работу радара, прошел перед его излучателем с шоколадным батончиком, который расплавился. После серии экспериментов родилась первая микроволновая печь. Н.Финсен открыл благотворное влияние электромагнитного излучения на организм человека, а затем изобрел способ лечения некоторых болезней, глядя на кота на крыше, который для своего отдыха выбирал солнечные места. В 1903 г. за эти работы он был удостоен Нобелевской премии. С.Браун изобрел висячий мост, когда прогуливался по своему саду и увидел паутину, перегорадившую ему дорогу. Здесь, правда, надо добавить, что висячие мосты к тому времени уже давно использовались и в джунглях Амазонки, и в Юго-Восточной Азии. Дж.Уатт основные усовершенствования паровой машины придумал, когда в 1765 г. проходил мимо прачечной, из которой валил пар. 
Любопытна история создания автомобиля. Первый автомобиль в 1668 г. изобрел и изготовил священник Ф.Фербист в качестве игрушки для сына китайского императора Канг Хи. В этой модели пар вырывался из котла, вращал шестерню с лопастями, которая передавала движение на колеса. Вторая действующая модель была разработана в 1770 г. французским офицером-артиллеристом Н.Кюньо. Третий автомобиль с паровым двигателем, цилиндром и шатуном построил инженер У.Мердок в 1786 г. При первой демонстрации машина вырвалась из рук изобретателя, скрылась за холмом, взорвалась, и под ней оказался опять же священник. Суд запретил Мердоку на всю оставшуюся жизнь заниматься «дьявольскими штучками». Но самое забавное, что свидетелем происшествия был 15-летний Р.Тревитик, который в 1801 г. изобрел первую пригодную к практическому применению паровую пассажирскую повозку. То есть изобретательство – что-то вроде заразной болезни [7].
Теперь несколько примеров технологии изобретательства. Оригинальную технологию использует Е.Накамацу, который погружается под воду и в конце задержки дыхания «за три секунды до смерти», как он сам выражается, записывает в водостойкий блокнот гениальные мысли, возникающие при недостатке кислорода для обычной работы мозга.
Многие исследователи еще в начале прошлого века считали, что активизация работы правого полушария (образного) благотворно влияет на работу левого полушария (логического). В 1960-х годах «благодаря появлению нового мощного средства наблюдения за работой мозга – электроэнцефалографии – ученые смогли получить объективную картину активности мозговых структур в процессе выполнения различного рода занятий. Строго экспериментально было доказано, что человеческий мозг, несмотря на выделение функций полушарий – система целостная, действующая согласованно и комплексно, строгого разделения, как зон, так и функций в нем не существует» [8]. Некоторые американские технические вузы дополняют свои основные программы гуманитарными дисциплинами: историей живописи, музыки и т.п. Например, в Массачусетском технологическом институте доля социально-гуманитарных дисциплин уже к 80-м гг. прошлого века достигла 15% от общего часов по учебному плану [8]. Основная успеваемость при этом возрастает. В нашей стране, в ЛЭТИ преподают гуманитарные дисциплины, в МФТИ существует курс «Истории кино». Многие другие технические вузы используют этот же подход.
Яркий пример гармоничного сочетания правого и левого полушария обнаружился у Н.А.Львова. За достижения в живописи и литературе в 1783 г. он был избран действительным членом Российской академии наук. Но замечательны его достижения и в архитектуре. По самым скромным подсчетам, Львов спроектировал и построил более 30 оригинальных зданий разного назначения. Все дошедшие до нас соборы, усадьбы, парки ценятся, как выдающиеся архитектурные памятники классицизма. Здания, построенные Львовым, отличались множеством инженерных находок. Многие из них имеют многофункциональные печи и камины, обеспечивающие оптимальный обогрев и вентиляцию помещений. Печи сопряжены со специальными трубопроводами, по которым пар может поступать в жестяные кастрюли, где приготавливаются сразу несколько блюд. Покрыты его дома кровельным материалом на основе тряпичной бумаги, глины и толченого кирпича, пропитанных огнестойкими квасцами, который можно считать прототипом современных композитов. Помимо этого он усовершенствовал получение каменноугольного дегтя, разработал технологию использования угля для кузнечного и пушечного дела, кирпичных и стекольных заводов, хлебопечения, сахароварения, винокурения [9]. Изобретательская и поэтическая деятельности у Львова шли «рука об руку». По поводу преград, стоящих на пути внедрения российского угля в промышленность он написал оду. Другие трудности, сопровождающие любого российского изобретателя, прокомментировал стихами: «В земле, где вечные морозы или хлад, отнюдь не насаждай под рифму виноград».
Наш великий соотечественник А.Л.Чижевский, создатель современной гелиобиологии и изобретатель способов воздействия аэроионов, в том числе на организм человека, был еще художником и поэтом. В меморандуме – представлении к соисканию Нобелевской премии говорилось: «В лице проф. Чижевского мы, бесспорно, имеем одного из гениальных натуралистов всех времен и народов, который достоен занять почетное место в Пантеоне человеческой мысли, наравне с великими представителями естествознания.… Для полноты характеристики этого замечательного человека нам остается добавить, что он, как это видно из широко известных его биографий… является также выдающимся художником и утонченным поэтом – философом, олицетворяя для нас, живущих в 20-м веке, монументальную личность да Винчи». [10, с. 287].
С.Морзе – изобретатель телеграфа, первую половину жизни занимался живописью и получил звание профессора живописи. Возвращаясь в Америку из европейской творческой командировки, Морзе на борту парохода случайно подслушал разговор о скорости передачи по проволоке электрического сигнала и тут же изобрел принцип телеграфа. Следует заметить, что этот принцип дал толчок Эдисону к созданию фонографа, как он сам считал, самого великого своего изобретения. Эдисон пытался усовершенствовать телеграфный аппарат Морзе. Лента с оттисками символов двигалась под иголкой, иголка переводила буквы в электрический сигнал. Меняя скорость движения ленты, он слышал звуки разной частоты. У него тут же родилась идея этот принцип использовать для записи слов. К аппарату он пристроил диафрагму, улавливающую вибрацию звука, соединил ее с иголкой, под которой протянул парафинированную бумагу и получил первую запись слов. Воспроизведение осуществлялось той же диафрагмой при движении иголки по деформированной (словами) бумаге.
Ч.Таунс, лауреат Нобелевской премии 1964 г. за создание лазерной техники (вместе с С.Н.Басовым А.М.Прохоровым), по первой профессии был лингвист. А.Майкельсон, изобретатель одноименного интерферометра, лауреат Нобелевской премии по физике 1907 г., был живописцем и выставлял свои картины на вернисажах. Н.Бор, один из создателей атомной бомбы, серьезно занимался древнекитайскими текстами и считал, что это ему помогает глубже разбираться в устройстве мира. Кстати, В.Гейзенберг и Э.Шредингер изучали древнегреческие тексты и Упанишады. Лауреат Нобелевской премии по химии 1981 г. Р.Хоффман был профессиональным поэтом и считал, что в науке и изящной словесности очень много общего. А нобелевский лауреат по физике 1918 г. М.Планк, будучи одновременно музыкантом, и его коллега, известный физик А.Зоммерфельд порой при обсуждении физических проблем в письмах переходили на поэтический язык. Здесь также уместно вспомнить М.Ломоносова, который часто свои научные мысли излагал аналогичным образом и даже служебные письма генералу И.И.Шувалову, куратору московского университета, по поводу обустройства российской науки писал в стихах. И.И.Мечников после получения Нобелевской премии по физиологии в 1903 г., провел детальный анализ «Фауста» Гете и написал философскую работу «Этюды оптимизма», которая получила высокую оценку современников. Еще дальше в объединении направлений пошел В.Нернст, нобелевский лауреат по химии 1920 г. Он был еще и пианистом, а в свободное время активно занимался изобретательством и создал первый электророяль.
Известно, что величайший ученый и изобретатель А.Эйнштейн увлекался игрой на скрипке. П.Л.Капица описывает такой эпизод. Будучи в 1920-х гг. в Лейдене он зашел к физику П.Эренфесту. Тот сразу же предупредил гостя, что сегодня к нему должен зайти Эйнштейн, которому он будет аккомпанировать на фортепиано. При этом, попросил иметь в виду, что «Эйнштейн не виртуоз, однако критиковать его за промахи в скрипичной игре лучше не надо. Критикуйте его физические работы – тут он бесконечно терпим» [6]. Еще несколько имен великих, которые одновременно были: Коперник – живописцем, Гете – ученым и естествоиспытателем, основоположник кибернетики Р.Винер – писателем, художник Татлин – конструктором летательных аппаратов.
А кто-то делает выдающиеся изобретения в детском возрасте. Свое первое изобретение один из самых крупных ученых XIX в. Дж.Максвелл сделал в 14 лет после прослушанной им лекции в эдинбургском королевском научном обществе, куда его иногда брал отец. Речь на ней шла о построении овалов. Для этого в то время использовался сложный математический аппарат, разработанный Ньютоном и Декартом. Способ, изобретенный Максвеллом, заключается в том, что вокруг двух иголок, воткнутых в поверхность, оборачивается связанная ненатянутая нить, а по внутреннему ее контуру с натягом движется карандаш. Максвеллу повезло, проф. Д.Форбс рассказал с его разрешения об этом изобретении в эдинбургском обществе, и оно было по достоинству оценено учеными.
Теперь несколько примеров из которых можно вывести основные принципы изобретательства. В конце позапрошлого века крупнейшие астрономы — французский Ж.Лаланд и американский С.Ньюк, немецкий изобретатель Э.Сименс и некоторые другие знаменитые ученые – считали невозможным создание летательных аппаратов тяжелее воздуха. До первых полетов в 1903 г. братьев Райт оставалось несколько лет, а Можайский, по утверждению очевидцев, уже поднимал свой самолет в воздух в 1882 г. Но именно в 1903 г. конгресс США запретил финансирование таких летательных аппаратов, а патентное ведомство прекратило прием заявок на их патентование.
Первым изобретением Т.Эдисона была изготовленная на собственные средства машина для подсчета голосов при голосовании. Машина работала хорошо, но именно из-за этого оказалась ненужной конгрессменам, к которым он обратился. После этой неудачи Эдисон сформулировал для себя основной принцип изобретательства: «Сперва обдумай, есть ли нужда в будущем изобретении, затем начинай думать, вставай в шесть часов утра и думай до двух часов ночи. Делай это до тех пор, пока не изобретешь».
По-своему, эти методы работы прокомментировал Н.Тесла: «Если бы Эдисону понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на то, чтобы определить наиболее вероятное место ее нахождения. Он немедленно с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не нашел бы предмета своих поисков.... Он питал неподдельное презрение к книжному образованию, доверяясь всецело своему чутью изобретателя...» [11, с. 57]. Заметим, что Тесла имел фундаментальное научное образование, не боялся браться за решение сверхзадач и в настоящее время по одному из рейтингов изобретателей находится в числе величайших изобретателей всех времен и народов вместе с Архимедом, Фарадеем, Менделеевым, М.Кюри и Накамацу. Открытие периодического закона Д.И.Менделеевым в 1869 г. до сих пор ставит историков науки в тупик. Как можно было, имея на тот момент всего 63 открытых элемента, выявить этот закон, исправить атомную массу семи и предсказать свойства трех не открытых элементов. По некоторым рейтингам это достижение считается величайшим в истории науки. Следует заметить, что таблица, увиденная Менделеевым во сне, не легенда. Проф. А.А.Иностранцев передает слова Менделеева : «Все в голове сложилось, а выразить таблицей не могу… Трое суток без сна пытался составить таблицу ничего не получалось, лег спать и вижу во сне таблицу, где элементы расставлены, как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги, - только в одном месте впоследствии оказалась нужной поправка» [12].
Не только значительные, но и некоторые простые изобретения имели интересную историю. Прототипом первой расчески, найденной в древнем Риме, был рыбий скелет. Предком каблука, изобретенного в XVII в. в Испании, была нашлепка на обувь восточных всадников для фиксации ноги в стремени. Фантики для конфет родились из изобретенной Эдисоном в 1857 г. парафинированной бумаги. А консервную банку родила колониальная политика Франции, в конце XVIII в. ее изобрел Н.Апперт для обеспечения солдат питанием в дальних походах, и усовершенствовала та же политика Англии, где в 1811 г. Дж.Ход применил для консервных банок тонкие листы железа. Следует заметить, что на усовершенствования этих изобретений до сих пор получают патенты.
Но чтобы отметить другую по трудовым затратам сторону изобретательства – несколько слов о создании атомной бомбы. 1 сентября 1939 г. Эйнштейн в письме предупредил Рузвельта о гигантской мощности ядерной энергии и о том, что Гитлер пытается создать ядерное оружие. 2 декабря 1942 г. под руководством Э.Ферми в Чикаго был запущен первый в мире ядерный реактор, а 16 июля 1945 г. первая бомба была испытана на полигоне в Нью-Мексико. На финишную прямую работы вышли после сообщения немецкого химика И.Ноддак о возможности деления ядер под воздействием нейтронов. Ферми и многие другие физики сначала посчитали это абсурдным. Но дальнейшее подтвердило ее правоту. Н.Бор заинтересовался этим вопросом в 1936 г. О.Ган, И.Кюри, П.Савич, Л.Мейтнер, О.Фриш вели активнейшие работы по теории и практике деления ядер. В 1938 г. Г.Боте предложил цикл превращения водорода в гелий и заложил основу теории термоядерных реакций. На заключительном этапе активное участие в работах принимали советские академики И.Е.Тамм, Я.И.Френкель, И.В.Курчатов, Л.А.Арцимович, Л.В.Мысовский. И, наконец, 28 июля 1940 г. Н.Бор и Дж.Уиллер представили статью «Механизм деления ядер урана-235». После этого создание атомной бомбы перешло в практическую плоскость. Из сказанного видно, что То есть,  для создания иногда одного изобретения требуется десятки лет и работа сотен великих ученых.
Из сказанного видно, что какие-то изобретения рождались случайно, какие-то в результате озарения. Но, тем не менее, на основании изложенного материала можно сформулировать следующие основные принципы изобретательства: изобретение должно быть необходимым и дешевым, сочетать научный подход и здоровый прагматизм, желательно также решать сверхзадачу и не быть в полной зависимости от мнения авторитетов.
Закончить хочется шутливым ответом Эйнштейна, начинавшим свою трудовую деятельность в патентном бюро. На вопрос: «Как становятся изобретателем?», смысл его ответа был следующим. Все знают, что все изобретено, а один нет, он и становится изобретателем.
Список литературы
1.	Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973.
2.	Шпаковский Н.А. ТРИЗ. Анализ технической информации и генерация новых идей. М.: Форум, 2010.
3.	Мухачев В.М. Как рождаются изобретения. М.: Московский рабочий, 1968.
4.	Ковалев В.И. Техническое изобретательство и его приемы. Л.: Лениздат, 1965.
5.	Ермаков Ю. Биография сварки//Изобретатель и рационализатор. 2012. № 12.
6.	Блох А.М. Нобелевские премии – популярно обо всем. М.: БуКос, 2008.
7.	Ренкель А. Биография автомобиля//Изобретатель и рационализатор. 2011. № 3. 
8.	Гонтарев В. Потеснит ли Гендель сопромат//Комсомольская правда. 1986 г. 28 января.
9.	Константинова С. Счастливый человек//Изобретатель и рационализатор. 2007. № 4.
10.	Шноль С.Э. Герои, злодеи, конформисты отечественной науки. М.: «Либроком», 2009.
11.	Сейфер М. Никола Тесла – повелитель Вселенной. М.: Яуза, Эксмо, 2008.
12.	Лапшин И.И. Философия изобретения и изобретение в философии. Введение в историю философии. М.: Республика, 1999.