1.1. Первый уровень – пионерные изобретения
Определение: Под пионерным изобретением понимается создание технических систем и технологий, которые:
– реализуют новые функции, которые ранее не существовали; это позволяет создать и удовлетворять новые потребности, которых ранее не было8;
или
– реализуют известные функции, но на основе нового принципа действия, что позволяет удовлетворять известные потребности, но на качественно более высоком уровне.
Создание таких систем всегда является основой для появления новых направлений в технике, и даже новых отраслей промышленности. Зачастую они вызывают существенные изменения в обществе. Такие изобретения всегда открывают новые S-кривые9.
Пример
Рентгеноскопия
Главное открытие в своей жизни Конрад Рентген сделал 8 ноября 1895 года. Работая в своей лаборатории, он обратил внимание на то, что после включения тока в катодной трубке, почему-то начинает светиться покрытый слоем платиноцианистого бария бумажный экран. Причем происходило это вопреки «здравому смыслу», поскольку трубка была полностью закрыта плотным черным картоном, а значит, свет не мог проходить через него. Он выключил ток – свечение прекратилось, включил – экран снова засветился! И тогда он сделал вывод, что в трубке возникают икс-лучи, которые способны проходить через плотный материал, и заставляют флуоресцировать особые вещества. Причем в зависимости от вида материала и его толщины, преграда пропускала больше или меньше лучей. Как следствие, стало возможным анализировать структуру различных объектов. Установка, разработанная Рентгеном, выполняла совершенно новую функцию – неразрушающий анализ структуры непрозрачного объекта.
Пример
Создание гастроскопа. Прибор позволяющий видеть внутренние органы человека с использованием оптоволокна. Это породило новый метод медицинского обследования и, стало основой для новой технологии проведения хирургических операций – лапароскопии. Через 3 небольших разреза (10—15 мм), в полость живота вводятся инструменты – нагнетатель углекислого газа, подсветка и инструмент. Операция выполняется микроинструментом внутри полости.
Рисунок 2. Первый рентгеновский снимок – рука Альберта фон Келликера, 21.01.1896 года
Рисунок 3. Лапароскопическая операция
Пример
Создание LED-светильников. До этого функция освещения, путем преобразования электричества в световое излучение через нагрев вольфрамовой спирали, выполнялась лампами накаливания. Но использование светодиодов для освещения – новый принцип освещения. Это привело к развитию не только новых систем освещения, но и породило новые направления в других отраслях, например, новых способов выращивание овощей в многоуровневых теплицах и многие другие.
Рисунок 4. LED-светильник с множеством элементов; один из элементов
Пример
Химическая технология получения алюминия была известна еще в середине XX века. Но она сильно ограничивала получение этого ценного металла из-за своей дороговизны. Созданная в конце XX века технология электролиза алюминия, значительно удешевила его производство, и привела к созданию многих отраслей, в которых стал использоваться алюминий, поскольку он стал доступным по цене – (прокат, фольга, упаковка).
Основой пионерных изобретений являются:
– открытия, то есть новое знание в науке и технике;
– усовершенствование одной из подсистем (или технологии) до настолько высокого качественного уровня (скачек в развитии некоторой системы), который обеспечит создание системы с новой функцией.
В рассмотренных примерах:
Рентгеновский аппарат не смог бы быть создан без открытия Рентгеном икс-лучей (за которое он, кстати, получил Нобелевскую премию по физике за 1901 год и право на дворянский титул!).
Появление LED-светильников не могло быть сделано раньше открытия в 1960-1970-х годах желтого, белого и синего светодиодов. В свою очередь, открытия не могли бы появиться без высокого уровня развития техники и технологии выращивания кристаллов оксидов редкоземельных элементов высокой чистоты.
Гастроскопия стала возможной только при появлении световодов. Технология получения световодов появилась в 1930-х годах благодаря немецкому инженеру Генриху Ламму. А хотя сама идея полного внутреннего отражения светового потока внутри струи воды была открыта еще в середине XIX века английским ученым Джоном Тиндаллом, но она не получила промышленного применения. В 1880-х годах была предложена идея передачи светового потока в зеркальной изнутри трубы. Но уровень техники того времени был недостаточен для создания гастроскопа. И только когда Ламм разработал методику передачи светового потока в тонких световодах с полным внутренним отражением, и технологию их изготовления, стало возможным создание этого изобретения.
После этого, в 1960-х годах появилась новая медицинская технология – гастроскопия.
Рисунок 5. Световоды
Рисунок 6. Гастроскоп
1.2. Второй уровень – не пионерные системы, являющиеся основой новых S-кривых
К не пионерным системам относятся системы, выполняющие известные функции, и в которых используются только известные подсистемы и элементы, но объединение, которых позволяет создать новую систему. В ряде случаев, эта новая система обладает преимуществами, позволяющими преодолеть качественные ограничения, не позволяющие развиваться предыдущим системам, то есть порождает новые S-кривые. Именно такие изобретения относятся ко второму уровню.
Есть три пути создания изобретений второго уровня:
– замена одной из ключевых подсистем на другую, качественно превосходящую предыдущую;
– объединение двух (и более) различных систем в полисистему с образованием нового качества;
– применение системы по новому назначению.
В зависимости потребности, которую удовлетворяет новая система, от ее рынка, такие системы могут стать основой для создания целых новых отраслей техники.
Замечание: А могут и не стать! Если рынок ограниченный или специфический! Но все равно это будут изобретения второго уровня.
1.2.1. Создание новых систем, через замену одной из подсистем, на подсистему с новым принципом действия, или добавление новой подсистемы (гибридизация 1).
Новые, не пионерные системы, порождающие новые S-кривые, могут появляться, в результате того, что в известной системе одна из значимых подсистем заменяется на новую, позволяющую получить новое качество. Как правило, заменяется наименее эффективная в настоящий момент для данной системы подсистема. Или подсистема, исчерпавшая ресурс развития. Новая подсистема работает на ином (хотя уже известном ранее и используемом в других системах10) принципе действия, позволяющем получить новое качество.
Примеры
Автомобиль – немного измененная карета, в которую устанавливается двигатель внутреннего сгорания (или электрический двигатель). Обратим внимание на то, что и карета была известна, и двигатель внутреннего сгорания11 вышел на второй этап развития. Но новая система обладала более высокими потребительскими качествами по сравнению с обычной каретой. Именно поэтому и появилась новая величайшая S-кривая – автомобили.
Рисунок 7. Первый автомобиль Луи Рено. Не правда ли он очень похож на коляску?
Замечание. Еще раньше, в конце XIX века, были попытки установить на карету паровой двигатель. Но электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания выиграли конкуренцию у парового двигателя, который был слишком тяжелым.