■鄭雨薇，丁凡倬，張繼曉

(北京林業(yè)大學藝術設計學院，北京 100083）

1971年，美國設計理論家維克多·帕帕奈克（Victor Papanek）提出：“設計應該認真考慮地球有限資源的使用問題，設計應該為保護我們居住的地球的有限資源服務”[1]。他反對不安全、花哨、不當或基本無用的設計思想可以說是資源節(jié)約型設計的開端。現(xiàn)階段，我國生態(tài)環(huán)境承載力持續(xù)降低[2]，資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)退化等問題使自然資源的衰退進程明顯加快且不可逆轉，可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)[3-4]。在此困擾下，加強資源節(jié)約型產品的研究與應用是產品設計領域應對環(huán)境難題的重要對策，但設計者在運用傳統(tǒng)的創(chuàng)新思維方法時，如頭腦風暴法、試錯法等，很難快速、準確地獲得解決產品資源浪費問題的方法，或者在求解過程中為了達到某方面節(jié)約目的而在整個產品系統(tǒng)內制造出更多的矛盾，得不償失。因此，本文將發(fā)明問題解決理論TRIZ引入到資源節(jié)約型產品設計中，以幫助設計者高效獲得問題的解決思路，彌補以往設計求解方法的不確定性與低效性。

1 TRIZ與資源節(jié)約型產品

發(fā)明問題解決理論TRIZ是目前世界上公認的最為全面的實現(xiàn)技術創(chuàng)新的理論系統(tǒng)[5]。它通過分析梳理數(shù)百萬份發(fā)明創(chuàng)造的運作原理和內在規(guī)律，總結出一套具有完整體系的解決發(fā)明問題的方法和工具，縮短了問題求解的時間。產品設計的過程實質上是解決問題的過程，近年來，TRIZ被越來越多地應用于產品設計領域，代替頭腦風暴法等傳統(tǒng)的問題求解方法，精準、高效地解決設計中的難題，如田鈺彬[6]等將TRIZ應用于木塑復合家具設計中，以提高家具制造企業(yè)解決相關設計問題的效率；曾盼盼[7]等將TRIZ應用于辦公椅產品設計中，以提高辦公椅產品創(chuàng)新設計效率；劉小勇[8]等將TRIZ應用于產品感知設計中，重建產品感知設計方法以提高產品感知設計的效率等。盡管TRIZ能夠幫助人們高效、準確地找到解決問題的方法，實現(xiàn)產品功能創(chuàng)新，但解決問題不是產品設計的唯一目的，換言之，產品的功能屬性是產品設計的重心，但產品的情感屬性更是如今產品設計中不容忽視的重要部分。由此可見，運用TRIZ高效解決產品存在的資源浪費問題的同時，還需要設計學的相關理論來完善最終方案，二者結合、取長補短更能發(fā)揮作用。

1.1 TRIZ與矛盾解決原理概述

1.1.1 發(fā)明問題解決理論TRIZ

發(fā)明問題解決理論TRIZ是由前蘇聯(lián)科學家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）與他的研究團隊于1946年開始，在分析了世界上數(shù)百萬份高質量的發(fā)明專利的基礎上，提出的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論[9]。其解決問題的核心理念為：將不能立刻獲得最終解的具體問題轉化為TRIZ標準問題，然后通過TRIZ的基本理論方法和求解工具獲得標準解，用以指導實際問題解決。TRIZ解決問題的一般流程見圖1。相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ是建立在科學和技術的方法基礎之上，來源于人們的長期探索和對改造自然的實踐經驗總結，具有嚴密的邏輯性[10]，運用TRIZ能夠加快發(fā)明創(chuàng)造的進程，提高問題的解決效率，實現(xiàn)產品創(chuàng)新[11]。

■圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程圖

1.1.2 矛盾解決原理

矛盾解決原理是TRIZ重要的問題分析和求解工具。阿奇舒勒通過研究大量的發(fā)明專利發(fā)現(xiàn)，真正的發(fā)明是解決了隱藏在問題當中的矛盾，矛盾是發(fā)明問題的核心[12]。TRIZ將矛盾分為兩類，一類是技術矛盾，即當技術系統(tǒng)的某個工程參數(shù)得到改善時，會有相應的工程參數(shù)發(fā)生惡化；一類是物理矛盾，即對技術系統(tǒng)內的同一個工程參數(shù)提出了互斥的要求[13]。1970年，阿奇舒勒在對大量的發(fā)明專利進行分析后，總結了39個通用工程參數(shù)，2003年，美國科技人員在TRIZ理論的基礎上對1500萬份專利進行研究，增加了9個通用工程參數(shù)，矛盾矩陣由39×39擴充至48×48。矛盾解決原理求解流程見圖2，其中為實際問題提供解決方案的40條發(fā)明原理是阿奇舒勒從大量發(fā)明方案所運用的普適方法中總結、提煉出來的。此外，為解決由技術系統(tǒng)內同一參數(shù)互斥所造成的物理矛盾，阿奇舒勒總結出時間分離、空間分離、條件分離和系統(tǒng)分離4個分離原理來消除物理矛盾。阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下技術矛盾可以轉化為物理矛盾，二者之間的相關性也使分離原理最終對應到40條發(fā)明原理來提供解決方案。

■圖2 矛盾解決原理求解流程圖

1.2 資源節(jié)約型產品概述

20世紀70年代，少數(shù)學者開始意識到人類對自然資源的過度消耗已對地球生態(tài)造成毀滅性影響，伴隨維克多·帕帕奈克將“考慮環(huán)境因素“引入設計界，可持續(xù)設計登上了歷史舞臺。從20世紀90年代出現(xiàn)的綠色設計、生態(tài)設計，到2000年前后產生的從搖籃到搖籃的設計、情感耐久設計、可持續(xù)行為設計、系統(tǒng)設計等，減少資源使用始終是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方法[14]。資源節(jié)約的方式也從關注產品個別過程的層面逐步擴大到關注產品整個生命周期的層面，以及到后來的資源循環(huán)再利用的系統(tǒng)層面；發(fā)展的中心也從技術層面逐漸轉向關注人的層面，開始注重人的情感與行為對節(jié)約資源的影響，見圖3。盡管可持續(xù)設計的方法在不斷更新與發(fā)展，但減少資源使用實現(xiàn)可持續(xù)的重要方式始終貫穿其中，與此相對應的產品類型，即資源節(jié)約型產品也一直在該進程中扮演重要角色。與此同時，資源節(jié)約的方式也伴隨可持續(xù)設計的發(fā)展而不斷得到擴充，但最終都是以消耗盡可能少的資源來使產品達到既定使用目的為根本目標。

■圖3 可持續(xù)設計（方法）與資源節(jié)約理念的發(fā)展軸

根據世界自然基金會（WWF，2010）估計，2007年全球生態(tài)足跡的規(guī)模是1966年的兩倍，如果這一趨勢繼續(xù)下去，這意味著到2030年人類將需要兩個地球吸收產生的廢物并保持自然資源消耗的能力。聯(lián)合國的一項報告（2016年）也指出，到2050年，我們將需要三個地球來維持我們目前的生活方式[14]。我國自2005年提出了建設資源節(jié)約型社會十幾年間，我國在節(jié)能減排等方面取得重大進展[15]，但我國人口基數(shù)大、資源相對短缺、環(huán)境承載能力較差的基本國情不變，日前我國進入新發(fā)展階段，人均資源占有量少的矛盾將更加突出，2021年國家發(fā)改委發(fā)布的《“十四五“循環(huán)經濟發(fā)展規(guī)劃》也對建設資源節(jié)約型社會提出更高目標：到 2025 年，綠色設計普遍推廣；資源循環(huán)型產業(yè)體系基本建立；廢舊物資回收網絡更加完善，覆蓋全社會的資源循環(huán)利用體系基本建成；用水量比 2020 年分別降低13.5%、16%左右等[16]。設計隨社會的需要而產生并為社會服務，因此提高“資源節(jié)約型產品設計“服務于”資源節(jié)約型社會”的效率，積極探尋產品設計領域解決資源浪費問題的方法和途徑，完善資源節(jié)約型產品設計系統(tǒng)，是實現(xiàn)新時代資源節(jié)約目標的必然要求。

2 基于矛盾解決原理和3R原則的資源節(jié)約型產品設計問題求解

2.1 基于3R原則的產品資源節(jié)約類型

3R原則，即減量化原則（Reduce）、再使用原則（Reuse）、再循環(huán)原則（Recycle），是綠色設計的基本原則，其目標是最大化利用地球上的有限資源，具體內容見表1。

表1 綠色設計原則及其內容

本文以3R原則的基本內容為分類依據，通過分析綠色設計及其發(fā)展的資源節(jié)約方法，提出了5類產品資源節(jié)約類型，分別為“減少產品自身組成物資的使用”，“減少產品完成特定功能所需物質的使用”，“減少產品完成特定功能所需能量的使用”，“延長產品的使用壽命”，“增強產品的通用性”，詳見表2，其中資源節(jié)約方法歸屬的產品資源節(jié)約類型分析見表3。

表2 基于3R原則的產品資源節(jié)約類型分析

表3 資源節(jié)約方法歸屬產品資源節(jié)約類型分析表

2.2 解決資源節(jié)約型產品設計問題的矛盾矩陣構建

通過對以上五大產品資源節(jié)約類型的分析，將其轉化為48個通用工程參數(shù)中對應的參數(shù)（待改善的參數(shù)），見表4，例如“減少產品自身組成物質的使用”對應待改善的參數(shù)為“2# 靜止對象的質量。

表4 產品的資源節(jié)約類型及其對應待改善的工程參數(shù)

表中，五個工程參數(shù)的具體釋義如下：

2# 靜止對象的質量：在重力場中靜止物體所受到的重力。

25# 物質的損失：對系統(tǒng)或物體做無用功所消耗的物質。

17# 靜止對象的能量消耗：靜止物體執(zhí)行給定功能所需的能量。

13# 靜止對象的耐久性：靜止物體正常發(fā)揮功能的作用時間或服務壽命（物體失去功能前的壽命）。

32# 適應性：系統(tǒng)或物體應對外部變化的能力，或其能夠在多種環(huán)境以多種方式發(fā)揮作用的可能性。

根據本文所涉及到的5個待改善的工程參數(shù)，截取48×48矛盾矩陣中#2、#13、#17、#25、#32工程參數(shù)所在行，形成僅適用于解決節(jié)約型產品設計問題的“5×48矛盾矩陣”，見表5。

表5 解決資源節(jié)約型產品設計問題的“5×48矛盾矩陣”（部分）

綜上，該方法將矛盾矩陣中待改善的工程參數(shù)減少至5個，縮短了運用TRIZ理論解決問題的分析過程，即省略了矛盾構建步驟中運用通用工程參數(shù)對系統(tǒng)內待改善指標進行描述的過程，因此提高了解決資源節(jié)約類問題的效率，加快了節(jié)約型產品設計進程。

2.3 基于矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品求解流程

（1）確定問題：對發(fā)現(xiàn)的有關資源浪費的問題進行分析，確定產品設計的資源節(jié)約類型，進而確定待改善的工程參數(shù)；

（2）構建矛盾：根據系統(tǒng)或產品的自身特點以及待改善的工程參數(shù)，確定相應惡化的指標（一個或多個），并運用通用工程參數(shù)對其進行描述；

（3）查詢5×48矛盾矩陣：將待改善和惡化的工程參數(shù)代入，得到相交方格處推薦的發(fā)明原理編號；

（4）應用推薦的發(fā)明原理尋求解決方案。

在資源節(jié)約問題的分析過程中，有可能存在一個工程參數(shù)得到完善，隨之有多個工程參數(shù)發(fā)生惡化的情況，此時應逐個嘗試矛盾矩陣中為每一對參數(shù)推薦的發(fā)明原理組合，從而找出較為完善的解決方案。另外，當待改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)為同一參數(shù)時（物理矛盾），除了應用矛盾矩陣中推薦的發(fā)明原理來解決，還可以運用4大分離原理來解決物理矛盾，具體流程見圖4。

3 融合設計學理論完善資源節(jié)約型產品設計

在針對產品設計“資源浪費問題“的求解過程中，對于難以快速找到解決方案的問題，可應用上述求解方法尋求解決思路。為了驗證上述方法的可行性，本章節(jié)以現(xiàn)存皂盒無法解決”小皂塊的浪費問題“，即”肥皂使用后期因體積變小難以繼續(xù)使用而被丟棄“作為待解決的具體問題，通過代入本研究提出的”基于TRIZ矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品設計流程“（見圖4）中來探尋相應的解決方案。最后，運用美學、人機工程學等設計學理論來完善該方案，以保證最終得到的資源節(jié)約型肥皂盒“功能與形式的統(tǒng)一”，詳細流程見圖5。

■圖4 基于TRIZ矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品設計問題求解流程

■圖5 基于TRIZ矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品設計流程圖

3.1 基于矛盾解決原理的資源節(jié)約型肥皂盒設計問題求解

（1）確定問題

①發(fā)現(xiàn)問題：當肥皂使用到后期階段，人們往往會因為它外形過小、難以使用而丟棄它，造成浪費；或想盡辦法將其用盡，但方式麻煩、不方便。

②問題分析： 此次需要解決的問題是讓使用到后期的小皂塊容易被繼續(xù)使用，減少浪費，因此對應表4中產品的資源節(jié)約類型為“減少產品完成既定功能所需物質的使用”，待改善的參數(shù)為25# 物質的損失。

（2）構建矛盾

若要改善小皂塊的參數(shù)25# 物質的損失，使小皂塊容易使用，則皂塊的形狀可能會發(fā)生變化，因此惡化的參數(shù)為9# 形狀，該組矛盾為技術矛盾。

（3）查詢5×48矛盾矩陣

將25＃ 靜止物體的質量作為待改善的參數(shù)，將9# 形狀作為惡化的參數(shù)，代入“5×48矛盾矩陣表”，獲得推薦的發(fā)明原理見表6。

表6 推薦的發(fā)明原理

（4）應用推薦的發(fā)明原理尋求解決方案

通過分析，35# 狀態(tài)和參數(shù)變化原理、5# 合并原理對于解決小皂塊不易使用的問題有指導意義。根據35#原理提供“改變對象的物理聚集狀態(tài)”的建議，可將不易使用的小皂塊由塊狀改變成顆?；蚍勰睿瑥亩蛊涓妆蝗∮?。根據5#原理提供“在時間上將同類的（相關的、相鄰的、輔助的）操作對象合并在一起”的建議，可將存放正常肥皂的皂盒與完成上述功能的結構合并在一起（二者的目的都是為了更方便地取用肥皂），既能存放正常的肥皂供人們日常使用，又能將不易取用的小皂塊收集起來以繼續(xù)使用，從而達到物盡其用的效果。

3.2 資源節(jié)約型肥皂盒的組成結構與使用原理

（1) 組成結構

根據3.1中提供的解決方案，即將肥皂盒設計成既能存放肥皂，又能將不易取用的小皂塊收集起以繼續(xù)使用的資源節(jié)約型肥皂盒。將滿足上述兩項功能的結構分為上下兩部分，見圖6，上部分為1#肥皂存放結構，用于存放正常的肥皂。下部分為“小皂塊收集與分割結構”，組成該部分的結構依次為2#開合口，方便開合放入小皂塊；3#外殼；4#推桿，推動推桿可將皂塊分割成小顆粒；5#連接軸，連接推桿與分割刀；6#（擠壓箱）滑蓋，可上下移動擠壓箱內小皂塊；7#擠壓箱，收集與擠壓皂塊結構；8#（擠壓箱）分割網，將皂塊分割成初始皂條；9#連接桿，連接切刀與擠壓箱滑蓋；10#分割刀，將通過分割網分割的皂條切斷形成肥皂小顆粒；11#承接結構，承接遺漏的肥皂小顆粒、瀝水等。

■圖6 資源節(jié)約型肥皂盒基本組成結構

（2）使用原理

為了使單手能順利完成肥皂取用動作，該皂盒采用壁掛式的固定方式。翻開肥皂存放結構，將不易使用的小皂塊投入擠壓箱內，等待被擠壓、分割成小顆粒狀繼續(xù)使用；推動推桿，皂塊被切割成小顆粒，從肥皂盒底部落入手中或其他接取物（抹布等）上。內部運作原理為推動推桿，推桿帶動連接桿下頭和分割刀向內移動，此時連接桿長度不變，（擠壓箱）滑蓋受連接桿的拉力作用向下移動，擠壓皂塊通過分割網被分割刀切成細小顆粒；當連接桿下頭向前移動到極限位置時，連接桿啟用延長鋼索以便分割刀繼續(xù)正常運作，見圖7。

■圖7 資源節(jié)約型肥皂盒使用原理圖

3.3 設計學理論優(yōu)化資源節(jié)約型肥皂盒設計

TRIZ的矛盾解決原理以理性化的方式為小皂塊的浪費問題提供了求解思路，但是資源節(jié)約型肥皂盒不僅要實現(xiàn)資源節(jié)約功能，還要為使用它的人帶來良好的審美體驗與使用體驗。因此還需要運用設計學相關理論對其進行優(yōu)化與完善，在實現(xiàn)資源節(jié)約的基礎上促進人—產品—環(huán)境的和諧統(tǒng)一，從而使產品達到“能用、易用、好用”的設計目標。

3.3.1 基于人性化設計的資源節(jié)約型肥皂盒結構優(yōu)化

（1）資源節(jié)約型肥皂盒取用結構設計

針對“將小皂塊的塊狀變?yōu)轭w?；蚍勰睢钡墓δ?，本設計擬采用大拇指按壓的方式來實現(xiàn)皂沫的取用，見圖8，壁掛式皂盒與該方式結合能夠讓使用者僅通過單手操作便可輕松取用皂沫，簡化皂沫取用行為的復雜度；按壓結構借鑒杠桿原理，盡量節(jié)省拇指按壓時的用力。拇指按壓推桿，皂沫落入手掌或接取物上（皂沫在一次按壓情況下取用量不足時，可多次按壓），取用完成后拇指離去，推桿在彈簧連接軸的作用下回歸初始狀態(tài)。

■圖8 肥皂取用示意圖

（2）肥皂存放結構的斜坡式設計

資源節(jié)約型肥皂盒在滿足了節(jié)約功能后，還需避免其基本的“肥皂存放功能”被弱化。通過用戶調研了解到，資源節(jié)約型肥皂盒用于存放常規(guī)肥皂處的積水問題成為用戶關心的重點之一，因此本設計將上部分的肥皂存放結構設計成斜坡式，見圖9，便于積水通過斜坡引流從開口排出。

■圖9 肥皂盒斜坡式瀝水結構

（3）儲皂倉（擠壓箱）的開合（口）設計

打開頂蓋（存放部分），將不易使用的小皂塊放入儲皂倉（擠壓箱）中備用。開合處采用凹口設計，見圖10，一方面能夠引導用戶快速定位此處為開合結構，另一方面便于使用者輕松打開頂蓋。

■圖10 肥皂盒開合（口）結構

3.3.2 基于人機關系的資源節(jié)約型肥皂盒尺寸定位

根據市面上肥皂的平均大小確定肥皂盒的外型尺寸，為了不妨礙取用小皂粒動作的完成，承接結構距離上部主體結構約為半個手掌的長度，見圖11。根據該肥皂盒的皂沫取用方式，需使“手掌—資源節(jié)約型皂盒”這組人機關系達到和諧狀態(tài)，據統(tǒng)計成年人手掌長度范圍為160～190mm，寬度為70～85mm。成年人完成皂沫取用動作，大拇指向前按動最舒適的距離為0～50mm左右，見圖12，因此皂盒推桿的垂直移動距離不應超過大拇指前后移動的最佳距離50mm，同時儲皂倉（擠壓箱）的寬度應小于等于50mm。此外，為了使分割后的肥皂小顆粒準確地落入手掌，皂盒內擠壓箱地寬度應參考成人手掌的平均寬度80mm。綜上，資源節(jié)約型肥皂盒儲皂倉（擠壓箱）的尺寸見圖13。

■圖11 資源節(jié)約型肥皂盒尺寸

■圖12 手掌長寬范圍與使用狀態(tài)下拇指移動最佳距離示意圖

■圖13 節(jié)約型肥皂盒擠壓箱尺寸與推桿可移動距離

3.3.3 基于視覺審美的資源節(jié)約型肥皂盒外觀設計

色彩是激發(fā)人的視覺審美、文化與情感認同的重要因素[17]。而材質在此基礎上能夠豐富產品的外觀效果，通過刺激用戶的視覺、觸覺等使他們在看或觸摸到產品時產生豐富的心理感受[18]。因此在設計中，合理的色彩、材料的選擇與搭配對提升用戶的審美體驗、實現(xiàn)產品和環(huán)境的和諧統(tǒng)一具有重要作用。本次肥皂盒在色彩上選擇飽和度較低的灰色調，材質上選擇成本低、抗潮防腐能力強的磨砂塑料，二者結合帶來的質樸與內斂之感使皂盒更好地與衛(wèi)生間潮濕環(huán)境相容。此外，長方形的皂盒形狀能夠包容多種形態(tài)的肥皂存放，圓角設計使長方體更加柔和與安全。資源節(jié)約型肥皂盒的最終效果見圖14。

■圖14 資源節(jié)約型肥皂盒最終效果圖（省略承接結構）

使用基于矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品設計方法指導相關產品設計時，應注意：

（1）待解決的目標問題必須是與節(jié)約資源相關的問題，即尋求一種設計方式來解決產品某環(huán)節(jié)的浪費問題。

（2）該方法幫助設計者將待改善的具體問題轉化為TRIZ標準問題，即根據需解決的問題將待改善的指標用本文給出的工程參數(shù)進行描述，但相應惡化的參數(shù)需設計者根據產品自身特點進行判斷并運用39個通用工程參數(shù)進行描述[19]。

（3）優(yōu)化設計方案所依據的設計學理論因產品而異，本文所采用的相關設計學理論只是針對資源節(jié)約型皂盒設計而言，設計者在使用該方法時應根據自己的產品需要選擇合適的設計學理論來優(yōu)化資源節(jié)約型產品設計。

4 結語

設計的過程實質上是解決問題的過程，問題的逐一解決使產品由初始狀態(tài)逐步接近或實現(xiàn)理想狀態(tài)。與傳統(tǒng)創(chuàng)新思維方法的不確定性和無目的性求解方式相比，TRIZ為創(chuàng)造性地解決問題總結出科學、系統(tǒng)和邏輯嚴密的方法和工具，對提升解決問題的效率、加快產品設計進程具有重要作用。但產品設計是一個復雜的過程，解決完整的設計問題同樣離不開設計學理論的支撐。本文將TRIZ與設計學理論相結合，提出了一種基于TRIZ的矛盾解決原理的資源節(jié)約型產品設計方法，為高效解決產品資源浪費問題的提供了解決思路。但該方法目前只停留在解決產品層面存在的資源浪費問題，具有局限性，后續(xù)研究還需結合其他設計理論不斷完善；此外，該方法的本質是通過優(yōu)化或創(chuàng)新產品功能來解決資源浪費問題，屬于產品的技術層面，未來還需從社會學、心理學等更寬廣的視角進行研究與分析，探索基于用戶情感、行為等更高層面的資源節(jié)約方法。