Beispielsaufgabe: Denken sie sich ein neues Wirkprinzip für eine Kaffeemaschine aus. Natürlich soll es funktionieren und genießbaren Kaffee herstellen. Hierbei sind die Elemente Kaffee und Wasser vorgegeben. Es sei denn, die Pharmaindustrie erzielt Fortschritte bei der Konstruktion des lösungsmittelresistenten Menschen. Die unbekannte Kombination stellt das für Kaffeemaschinen bisher unbekannte Wirkprinzip dar.
Beispielsaufgabe: Tiere leben in Flüssigkeiten oder Gasen. Erschaffen Sie ein Lebewesen, dass in einem starren Festkörper, z.B. im Inneren von Felsen haust. Woraus und aus welchen Strukturen besteht das Lebewesen? Wie konnte es entstehen? Wie sehen sie aus? Kann man sie überhaupt sehen? In welchem übergeordneten System vereinigen sich die einzelnen Organismen und Systeme? Wovon "ernähren" bzw. regenerieren sich diese Lebewesen? Wie bewegen sie sich bzw. wie nehmen sie eine Ortsveränderung vor? In welche Richtung geht ihre Evolution vor sich?
Die oben beschriebenen Grundformen sollen natürlich durch die Lösungen der Beispielsaufgaben und nicht durch die Aufgaben selbst illustriert werden. Da ich hier keinen Kreativitätskurs veranstalte, verzichte ich auf die Beschreibung der Lösungen. Sie können aber sicher sein, dass für alle hier verwendeten Aufgaben vernünftige Lösungen existieren.
Nach diversen Vorbemerkungen kommen wir nun zum Computer aided inventing. Betrachten wir Problemlösungen anhand mehrerer Beispiele:
Um ein hoch selektives Insektizid gegen eine Getreidekäferart zu entwickeln ist es notwendig, die genaue Körpertemperatur der einzelnen Entwicklungsstadien bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen zu bestimmen. Sie haben diesen Auftrag erhalten und müssen innerhalb eines Monats 250 Messungen durchführen. Zu diesem Zweck stehen Ihnen 50.000,00 US$ zur Verfügung. Die Ungenauigkeit der Messung darf höchstens 0,1 Kelvin im Bereich von 10 bis 35 °C betragen. Eine höhere Genauigkeit ist anzustreben. Die Größe der zu messenden Getreidekäfer beträgt 0,1 bis 1,0 mm. Es existiert kein dafür geeignetes Messverfahren.
Die gesamte Problemlösung läuft innerhalb eines Projekt-Management-System ab. Um die Aufgabe computergerecht zu analysieren, wird zuerst der "Questioner" aufgerufen. Dieses Programm erfasst interaktiv die Bedingungen der Aufgabe. Nachdem das PM-System die nötigen Daten zu Zeitraum, Geldmitteln und Objekten erhalten hat, beginnt es einen vorläufigen Netzplan zu erstellen. Hierbei greift es auf diverse Datenbanken zurück, um z.B. festzustellen wie viel Zeit für die Analysen gebraucht werden und wie viel Geld real für das Messgerät zur Verfügung steht. Nehmen wir an, dass 20 Arbeitstage zur Verfügung stehen. Hiervon werden 10 Tage für die Messungen und 1 Tag für die Auswertung benötigt. Es verbleiben 9 Tage, um das Messgerät herbeizuschaffen und um Ausfälle abzufangen. Für das reine Messgerät stehen 35.000,00 US$ zur Verfügung.
Als nächstes wird meist ein Hilfsprogramm, der "Shreder", aufgerufen, der interaktiv aus den gegebenen Daten ein abstraktes technisches System erstellt. Im vorliegenden Fall ist dies nicht nötig, da es sich um die Aufgabenklasse "Messung einer physikalischen Größe an einem unveränderbaren Objekt" handelt. Dies ist dem PM-System bereits bekannt. Der "Shreder" arbeitet ebenso wie andere Komponenten auf Basis der Theorie von Prof. Polovinkin. Der Verständlichkeit wegen benutze ich zur Illustration die Symbolik Prof. Altschullers.
Daraufhin startet das PM-System eine Abfrage an das "Wörterbuch der technischen Funktionen". In dieser Datenbank sind technische Objekte mit sämtlichen Parametern und ihrer abstrakten Struktur gespeichert. Es ist daher z.B. möglich, alle technischen Lösungen abzurufen, welche die konkrete Aufgabe betreffen. Dies darf nicht verwechselt werden mit der Suche nach physikalischen Effekten. Das Hauptanwendungsgebiet dieses Systems ist die Transformation einer abstrakten Lösung in ein konkretes technisches Objekt. Der Aufruf am Anfang dient nur der Überprüfung. Es ist ja durchaus möglich, dass der Bearbeiter schon existierende Lösungen übersehen hat. In unserem Fall konnte auch das Wörterbuch kein geeignetes Messsystem vorschlagen. Als nächstes muss die Aufgabe spezifiziert werden. Dies wird vom "Trigger" übernommen. Er verfügt über technisches Basiswissen, ist aber meist kein Expertensystem. Unter anderem weiß er, dass es eine Größenbeziehung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug gibt. Letzteres ist meist ein bis zwei Größenordnungen kleiner. Dies bedeutet, dass der Messkopf eine Größe von 0,05 bis 0,005 mm haben muss. Eine Abfrage des Wörterbuchs liefert wieder kein geeignetes Messverfahren.
Aus diesen Daten werden folgende Zwischeninformationen an das PM-System übergeben: (umgangssprachlich formuliert)
Messkopf zu groß : Wenn ich einen genügend kleinen Messkopf finden könnte, ließe sich das Problem lösen.
Objekt zu klein : Wenn das Objekt größer wäre, könnte ich bestehende Messverfahren ohne Probleme anwenden.
Widerspruch: Größe : Unser Widerspruch besteht darin, dass ich das Objekt vergrößern muss, um vorhandene Messgeräte anzuwenden. Dies ist jedoch nicht möglich, da die Bedingungen der Aufgabe dies verbieten (Messung einer physikalischen Größe an einem unveränderbaren Objekt). Bestehende Messverfahren lassen sich jedoch nicht beliebig verkleinern. Außerdem verlangt diese Variante mehr Zeit und Geld als zur Verfügung steht.
Als nächstes wird die Genauigkeit des benötigten Messverfahrens analysiert. Da unser Objekt nicht verändert werden darf, kommt nur eine Kontaktwärmeübertragung in Frage (Die Temperaturstrahlung ist zu gering). Um es kurz zu machen: Die zur Messung der Temperatur benötigte Wärmemenge ist wesentlich größer als die verfügbare. Schließlich darf sich der Käfer nicht verkühlen. An das PM-System können folgende Daten übergeben werden: (umgangssprachlich formuliert)
Wärmemenge zu gering : Die Käfer dürfen nur geringe Wärmemengen abgeben, um die Genauigkeit des Messverfahrens zu gewährleisten. Außerdem darf sich ihre Temperatur nicht ändern.
Wärmemenge zu groß : Messverfahren auf Basis der Kontaktwärmeübertragung brauchen prinzipiell größere Wärmemengen, als zur Verfügung stehen.
Widerspruch: Menge : Ich muss eine größere Wärmemenge verwenden, um die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten. Es darf jedoch keine größere Wärmemenge verwendet werden. Sobald das PM-System Angaben zu Widersprüchen erhalten hat, kann es den "Trigger" aufrufen. Dieses System versucht zunächst, standardisierte Lösungsverfahren anzuwenden.
Eine Möglichkeit, ein Objekt zu vergrößern, besteht z.B. darin eine größere Anzahl von Einzelobjekten zu verwenden. Die gleiche Lösung erhalten wir übrigens beim Problem: kleine Menge <-> große Menge. Mit anderen Worten: Wir nehmen eine große Anzahl von Käferchen und benutzen ein normales Temperaturmessgerät.
Noch einmal wird das Wörterbuch aufgerufen, um das konkrete Messgerät zu bestimmen. Zum Schluss werden die Datenbanken, soweit möglich, aktualisiert.
Bei der Herstellung von Roheisen in Hochöfen entsteht flüssige Schlacke, welche in offenen Gießpfannen zu den Schlackeverarbeitungsanlagen transportiert wird. Durch die Bildung einer festen Kruste welche am Rand besonders dick ist, gehen ungefähr 30 % der Schlacke verloren. Diese muss mit hohem Arbeitsaufwand entfernt werden und landet auf der Halde. Um Investitionskosten einzusparen wird ein Verfahren gesucht um ohne Deckel, Schlackerohrleitung oder andere Umbauten auszukommen.
Unser administrativer Widerspruch lautet: Der Schlacketransport ist zu verbessern, aber die Verbesserung darf nichts kosten.
Um den technische Widerspruch zu bestimmen, müssen wir etwas weiter ausholen:
A: Was wird den Bedingungen der Aufgabe entsprechend verändert?
Zuerst versuchen wir Verfahrensprinzipien anzuwenden, die im allgemeinen bei der Lösung analoger technischer Widersprüche benutzt werden. Aus der Tabelle erhalten wir folgende Vorschläge:
3 x Prinzip der Veränderung des Aggregatzustands eines Objekts : Entweder muss der Deckel flüssig oder gasförmig werden. Denn die Schlacke erfüllt ja ihren Zweck.
2 x Prinzip der vorherigen Wirkung : Zum Beispiel wäre es eine vorherige Wirkung, wenn der Deckel schon da wäre, bevor er gebraucht wird.
2 x Prinzip des Ersatzes mechanischer Objekte : Der mechanische Deckel ist durch etwas nicht mechanisches zu ersetzen.
2 x Prinzip der Farbveränderung : Die Farbe ist zu ändern, aber wovon? Eventuell brauchen wird ja einen farblosen oder durchsichtigen Deckel. Oder betrifft es die Schlacke?
1 x Prinzip der Zerlegung : Der Deckel ist zu zerlegen. Es ist mit einer Vielzahl kleiner Deckel zu arbeiten.
Diese Stufe führt meist noch nicht zur Lösung, da effektive Lösungen sich meist aus mehreren Prinzipien zusammensetzen. Bestimmen wir den physikalischen Widerspruch: Gegeben sind zwei Elemente, die heiße Schlacke und die kalte Luft sowie ein Feld, der Temperaturgradient. Die Schlackenoberfläche muss heiß sein, damit die Schlacke nicht erstarrt und sie muss kalt sein, damit es nicht zu einer Auskühlung kommt. Das oben beschriebene Stoff-Feld-System ist ein so genanntes schädliches Stoff-Feld-System. Dieses wird zerstört bzw. unwirksam gemacht, in dem einer der beiden Stoffe modifiziert wird. D.h. es ist fehlerhaft, einen weiteren Stoff, den Deckel, einzuführen. Man kann technische Objekte, wie die Schlacke, leichter modifizieren als natürliche Objekte, wie die Umgebungsluft. Wie kann ich nun die Schlacke modifizieren? Betrachten wir die oben angeführten Verfahrensprinzipien.
Veränderung des Aggregatzustandes der Schlacke: feste Schlacke, gasförmige Schlacke und Schlackenschaum. Nur letzteres ist sinnvoll.
Experimentell muss nur noch die günstigste Methode bestimmt werden, um den Schaum zu erzeugen. Am aussichtsreichsten ist es nasse, poröse Schlacke während des Abstichs einzubringen.
Die hier gezeigte Verfahrensweise ist nur ein Teil der Methodik, da ja EDV-Lösungen stärker algorithmiert werden müssen.
Im Jahre 1897 entdeckte Russel, dass die von Oxiden gereinigte Oberfläche einiger Metalle imstande ist, ein latentes Bild auf einer fotografischen Platte zu erzeugen. Es reicht, in der Dunkelkammer einen Zinkring auf eine Platte zu legen, um einen Abdruck desselben zu erhalten. Das Wirkungsprinzip ist relativ einfach: Die unedle Metalloberfläche reagiert mit der Luftfeuchtigkeit und setzt atomaren Wasserstoff frei und oxidiert dabei. Der energiereiche atomare Wasserstoff greift die lichtempfindliche Schicht an und schwärzt sie.
Soweit so gut, wenn der Zinkring zum Beispiel 100 mm von der Platte entfernt wird, so tritt die Schwärzung trotzdem auf. Atomarer Wasserstoff ist jedoch nicht in der Lage, eine solche Entfernung zu überwinden. Molekularer Wasserstoff jedoch greift die lichtempfindliche Schicht nicht an. Dies ist der so genannte Mitrofanov-Effekt.
Zweifelsfrei haben wir es hier mit einem physikalischen Widerspruch zu tun. Ein Stoff, der atomare Wasserstoff, ist bei der Entstehung und an der Platte vorhanden, nicht jedoch auf dem Transportweg. Bei solchen Problemen zeigt sich die Überlegenheit der altschullerschen Theorie. Man muss sich nur den richtigen Standard heraussuchen, und die Lösung liegt auf der Hand. Einer Realisierung per EDV steht nichts im Wege und wird von einem Zweig der altschullerschen Schule auch betrieben. Doch zurück zu unserem Problem:
Wenn Eigenschaft und Antieigenschaft miteinander im Konflikt stehen, dann kann der Konflikt durch Trennung im Raum, in der Zeit oder der Struktur gelöst werden. Wenn man eine Zerlegung des Stoffs in der Zeit anwendet, dann ist es zweckmäßig, dass der Stoff selbst den Übergang von einem Zustand in den anderen realisiert. Mit anderen Worten, atomarer Wasserstoff vereinigt sich zu molekularem Wasserstoff und wird durch die Braunsche Bewegung zur lichtempfindlichen Schicht transportiert. Ein Teil der Moleküle behält aber sämtliche Energie des atomaren Wasserstoffs. Da die Energieverteilung aller Moleküle der Gaußschen Normalverteilung entspricht, besitzt ein sehr kleiner Teil der Moleküle eine sehr hohe Energie bzw. Bewegungsgeschwindigkeit. Dadurch können einige Wasserstoffmoleküle beim Zusammenprall mit diesen sehr schnellen Molekülen in atomaren Wasserstoff gespalten werden.
PM-Systeme sind im Prinzip bekannt, so dass ich auf eine Erläuterung verzichte. Selbstverständlich ist das System mandantenfähig und erlaubt die gleichzeitige Bearbeitung einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Projekten. Alle Daten zu den Objekten werden verschlüsselt, soweit sie nicht von Bearbeiter freigegeben wurden.
Die Bedingungen der Aufgabe werden interaktiv erfasst. Der Umfang der Analyse wird bestimmt durch die Theorie, auf der die weiteren Arbeitsschritte basieren. Eine gute Grundlage stellt der ARIS, der "Algorithmus zur Lösung von Erfindungsaufgaben" dar.
Die TRIS, die "Theorie zur Lösung von Erfindungsaufgaben", stellt eine Reihe von nützlichen Werkzeugen bereit. Diese können zur Umformung der konkreten Aufgabe in ein abstraktes technisches System benutzt werden.
Diese Datenbank entstammt ursprünglich den CAD-Systemen. Dies hängt damit zusammen, dass Computer aided inventing sich aus "intelligenten" CAD-Systemen entwickelt hat. Inzwischen ist es jedoch weiträumiger einsetzbar. Auch bei diesem Werkzeug finden wir Unterschiede im theoretischen Ansatz. In der Schule von Professor Altschuller wurde dieses Instrument ursprünglich zur Suche nach neuen technischen Gesetzen eingesetzt.
Er verfügt über ein so genanntes technisches Basiswissen. Im Prinzip vergleicht er abstrakte Systeme mit ihm bekannten technischen Gesetzen. Dies betrifft sowohl die Entwicklung von technischen Systemen, als auch ihren Aufbau. Es handelt sich hierbei um eine echte "Prognostiziermaschine", die in der Lage ist, qualitative Veränderungen vorherzusagen. Im konkreten Fall vergleicht sie praktisch die Vorhersage mit dem derzeitigen Zustand und kann so Probleme bzw. Widersprüche erkennen.
Er verfügt über eine Reihe von Hilfsmitteln, um beliebige Probleme zu lösen. Die theoretischen Ansichten der einzelnen Schulen unterscheiden sich bei diesem Programm sehr. Aus diesem Grund werden verschiedene Kreativitätstechniken verwendet. Nachfolgend eine kurze Einführung in die am häufigsten verwendete Methoden.
Morphologische Matrizen : Beherrscht werden 20 dimensionale Suchräume mit einer großen Anzahl von Varianten pro Dimension. Bedingt durch die weitgehende theoretische Durchdringung technischer Probleme, ist es möglich, optimierte Suchstrategien zu verwenden. Praktisch arbeitet die morphologische Matrize ähnlich wie ein guter Schachspieler. Sie betrachtet nur Varianten, welche auch erfolgversprechend sind. Kombinatorische Lawinen werden dadurch umgangen. In einem 20 dimensionalen Suchraum mit 100 Varianten sind immerhin 10 hoch 40 Varianten zu betrachten und miteinander zu vergleichen. Die Anzahl der Dimensionen ist natürlich nur durch die verfügbare Technik beschränkt. Der Aufwand ist annähernd linear abhängig vom Produkt aus der Anzahl der Dimensionen und der maximalen Anzahl von Varianten in einer Dimension. Diese Technik ist besonders dann geeignet, wenn die Datenbank physikalischer Effekte zum automatischen Auffüllen der Varianten genutzt wird. Anderenfalls ist sie nach wie vor nicht effektiver als das Brainstorming.
Und-Oder-Bäume : Dieses Verfahren stellt eine Sonderform der morphologischen Matrize dar. Es wird bei hierarchischen Analysen verwendet.
Heuristische Lösungsverfahren nach Polovinkin : Professor Polovinkin schuf seine Theorie für Computer. Sie ist aus diesem Grund etwas unübersichtlich und vernachlässigt die Besonderheiten der menschlichen Psyche. Ich verweise deshalb auf die Orginalquellen.
Bei der Anwendung des Computer-aided-inventing ist folgende Vorgehensweise angebracht:
Aufbau eines unabhängigen Zentrums an einer Hochschule oder an einem Institut. Als Ausgangsbasis würde ich die Theorie von Professor Altschuller nehmen, da sie theoretisch besser fundiert ist. Außerdem entwickelt sich die Theorie Professor Polovinkins immer mehr in Richtung TRIS und vernachlässigt nach wie vor psychologische Gesichtspunkte.
Aufbau einer Schulungseinrichtung um die Grundlage dieser Methodik an Ingenieure, Studenten und Arbeiter weiterzugeben. Der große Vorlauf Professor Altschullers basiert unter anderem auf seiner Möglichkeit, eine große Anzahl von Studenten und Lehrgangsteilnehmern in die Forschung einzubeziehen. Nur diese sind in der Lage praktisch kostenlos sämtliche technische und wissenschaftliche Entwicklungen zu überwachen und für die Weiterentwicklung der Theorie aufzubereiten.
Gründung eines Softwarehauses, welches die theoretischen Erkenntnisse des Zentrums in neue Programme umsetzt und diese vermarktet. Durch diese Firma ist ebenfalls die Anwenderbetreuung durchzuführen.
Anwendung bei der Verbesserung der Produktion und in der Forschung in möglichst vielen Fachgebieten. Erst in dieser Phase kann ein realer Gewinn erzielt werden.
Bei der ständig notwendigen Weiterentwicklung der Theorie sind folgende Schritte zu beachten:
Bis zur Realisierung echter KI-Lösungen ist es noch ein weiter Weg. Möglich sind schon heute praxistaugliche Lösungen auf dem Gebiet des Computer aided inventing. Die nötigen hardware- und softwaremäßigen Voraussetzungen sind praktisch überall gegeben. Es mangelt an Informationen und der Bereitschaft, sich mit dieser zugegebenermaßen ungewöhnlichen Technik auseinander zusetzen.
Altschuller, G.S.; Seljuzki, A.B. (1983) : Flügel für Ikarus - über die moderne Technik des Erfindens, Moskau-Leipzig-Jena-Berlin: Verlag MIR-URANIA Verlag.
Altschuller, G.S. (1984) : Erfinden - Wege zur Lösung technischer Probleme, Berlin: VEB Verlag Technik.
Borodulin, J.B. u.a. : Cistema avtomatisirovannogo projektirovanija cilovuich transformatorow (Automatisiertes System zur Projektierung von Starkstromtransformatoren), unveröffentlicht, in Russisch.
Draeger, W. (1986) : Ingenieurarbeit - schöpferisch und effektiv, Berlin: VEB Verlag Technik.
Gilde, W. und E. Belkius (1978) : Erfinden was noch niemals war, Leipzig-Jena-Berlin: Urania-Verlag 1978.
Mehlhorn, G. u. H.G. (1981) : Heureka - Methoden des Erfindens, 2. Auflage. Berlin: Verlag Neues Leben.
Polovinkin, A.I. (1989) : Ocnovoi ingenernovo tvorc'estva (Die Grundlagen des Schöpfertums von Ingenieuren), Moskau, Verlag Maschinostroenija 1988, in Russisch.
Purkus, W.: Expertensysteme in der rechnergestützten Fertigungsvorbereitung, Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Zobel, D. (1987) : Erfinderfibel - Systematisches Erfinden für Praktiker, 2. Auflage. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften.
Zobel, D. (1991) : Erfinderpraxis - Ideenvielfalt durch systematisches Erfinden, Magdeburg : Deutscher Verlag der Wissenschaften.
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