毛昕，王愛(ài)紅，陳汗青

產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型研究

毛昕1,2，王愛(ài)紅1，陳汗青1,2

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.四川美術(shù)學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶 401331）

產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品價(jià)值、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)中國(guó)創(chuàng)造的有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新，構(gòu)建符合突破性創(chuàng)新特點(diǎn)的模型至關(guān)重要。聚焦產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)突破性創(chuàng)新內(nèi)涵與特征，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的分析與綜合，將約束與創(chuàng)新圍繞創(chuàng)造力建立聯(lián)系，并借鑒創(chuàng)造力的“生成-探索”模型，探索產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)新路徑。提出了一種新的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型。該模型以約束類(lèi)型與來(lái)源為框架，通過(guò)提高創(chuàng)新資源約束水平來(lái)強(qiáng)化創(chuàng)造力，以跨領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)的運(yùn)用為手段，形成了創(chuàng)意優(yōu)先的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)路徑。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人概念設(shè)計(jì)實(shí)踐表明：該模型能夠有效支持產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的開(kāi)展，具備一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

突破性創(chuàng)新；概念設(shè)計(jì)模型；創(chuàng)造力；約束；創(chuàng)意優(yōu)先路徑

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是為導(dǎo)入新資源創(chuàng)造具有更高價(jià)值差異性特征的產(chǎn)品或服務(wù)的實(shí)施規(guī)劃結(jié)果和路徑[1]，是從跟蹤模仿到引領(lǐng)跨越，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的突破口，也是產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品創(chuàng)新鏈的起點(diǎn)、價(jià)值鏈的源頭[2]。在面對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有深刻意義。就產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，根據(jù)創(chuàng)新程度和結(jié)果的差異，可分為漸進(jìn)性創(chuàng)新和突破性創(chuàng)新兩種類(lèi)型。產(chǎn)品突破性創(chuàng)新具有創(chuàng)新程度高、影響力大，產(chǎn)品技術(shù)軌道躍遷，顛覆原有形式、變革市場(chǎng)等特點(diǎn)[3-4]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，亟須依靠突破性創(chuàng)新帶來(lái)的顛覆性影響實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)的跨越式發(fā)展。然而，由于突破性創(chuàng)新較高的不確定性、風(fēng)險(xiǎn)性和復(fù)雜性等特征，使產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多難題。因此，如何通過(guò)科學(xué)的過(guò)程模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新，亟待深入研究。

1 研究對(duì)象與范疇

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，突破性創(chuàng)新過(guò)程由問(wèn)題識(shí)別、創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題定義與分析、概念設(shè)計(jì)方案生成與評(píng)價(jià)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)以及產(chǎn)品推廣與商業(yè)化等階段組成[1,5-6]。其中，概念設(shè)計(jì)周期短、成本低，僅占產(chǎn)品研發(fā)總成本的5%，卻決定了產(chǎn)品70%～80%的成本[7]。產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)既是產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過(guò)程中的關(guān)鍵階段，也在很大程度上影響著整個(gè)突破性創(chuàng)新進(jìn)程。圍繞產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段實(shí)施突破性創(chuàng)新可以提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率、降低成本，進(jìn)而可以降低突破性創(chuàng)新帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文以突破性創(chuàng)新為視角，以產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程為研究對(duì)象，圍繞突破性創(chuàng)新的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型與路徑進(jìn)行研究，以期彌補(bǔ)現(xiàn)有不足。

2 產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程研究的現(xiàn)狀與不足

創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程研究是近年來(lái)突破性創(chuàng)新研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，其中，產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)研究是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者依據(jù)突破性創(chuàng)新特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)不同階段的過(guò)程模型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。例如，Van[5]將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的概念設(shè)計(jì)階段劃分為用戶(hù)需求調(diào)查與分析、產(chǎn)生創(chuàng)意和選取技術(shù)原理等步驟。檀潤(rùn)華等[1]圍繞突破性創(chuàng)新技術(shù)機(jī)遇分析、創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生、功能與效應(yīng)綜合、原理方案設(shè)計(jì)等過(guò)程構(gòu)建了突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型。楊伯軍等[8]利用激進(jìn)式剪裁方法，通過(guò)產(chǎn)品目標(biāo)功能的確定、剪裁和重組等步驟建立了產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過(guò)程模型。張換高等[9]在超系統(tǒng)視角下進(jìn)行分析，以技術(shù)的突破性創(chuàng)新為主要手段，以技術(shù)進(jìn)化、解決沖突、問(wèn)題求解和功能組合為導(dǎo)向，構(gòu)建了以機(jī)遇識(shí)別、研究對(duì)象選取、問(wèn)題分析與求解、產(chǎn)生突破性創(chuàng)新設(shè)想等為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的突破性創(chuàng)新模糊前端模型。平恩順等[6,10]針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，構(gòu)建了由機(jī)會(huì)確認(rèn)、機(jī)會(huì)分析、設(shè)想產(chǎn)生、設(shè)想評(píng)價(jià)和產(chǎn)生概念設(shè)計(jì)方案等步驟組成的機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段模型。Weyrauch等[11]將產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型劃分為四個(gè)關(guān)鍵步驟，分別為：轉(zhuǎn)換需求與確定需求優(yōu)先級(jí)、分析產(chǎn)品參數(shù)與確定目標(biāo)參數(shù)、識(shí)別與評(píng)估沖突、解決沖突與評(píng)估產(chǎn)品概念。Wang等[12]基于TRIZ方法，提出了一種面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)根本性創(chuàng)新的系統(tǒng)效應(yīng)求解方法，并通過(guò)問(wèn)題識(shí)別、功能分析、關(guān)鍵問(wèn)題確定、技術(shù)選擇、結(jié)構(gòu)映射和方案評(píng)價(jià)等步驟構(gòu)建了產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果的梳理可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者所構(gòu)建的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型將創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題的定義這一環(huán)節(jié)作為出發(fā)點(diǎn)，并借助不同的方法，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的求解完成產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)。這些模型在本質(zhì)上可以歸納為以問(wèn)題為導(dǎo)向，以發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題為基本流程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，其一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)突破性創(chuàng)新，但結(jié)合突破性創(chuàng)新復(fù)雜程度高、不確定性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)大[13]等特點(diǎn)，以定義問(wèn)題為優(yōu)先項(xiàng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)路徑難以解決設(shè)計(jì)之初由于突破性創(chuàng)新不確定性所帶來(lái)的難以定義問(wèn)題的矛盾。這也是現(xiàn)有突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)難以成功的關(guān)鍵。綜上所述，需要針對(duì)突破性創(chuàng)新特點(diǎn)構(gòu)建符合產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)特征的過(guò)程模型。

3 產(chǎn)品突破性概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型的構(gòu)建

3.1 約束對(duì)創(chuàng)新路徑的影響

在創(chuàng)新過(guò)程中，創(chuàng)造力水平的高低決定著創(chuàng)意想法能否產(chǎn)生，進(jìn)而影響著創(chuàng)新成果的生成。既有研究表明，創(chuàng)造力水平與約束密切相關(guān)，因此，約束通過(guò)創(chuàng)造力對(duì)創(chuàng)新過(guò)程產(chǎn)生影響。約束被定義為對(duì)創(chuàng)造性解決問(wèn)題設(shè)置限制或界限的任何因素[14-15]。盡管此前的研究對(duì)約束如何影響創(chuàng)造力仍未達(dá)成共識(shí)，但越來(lái)越多的研究證實(shí)了約束既可以限制創(chuàng)造力的產(chǎn)生，也可以對(duì)創(chuàng)造力形成促進(jìn)作用，維持二者之間的平衡關(guān)系能夠最大程度地激發(fā)創(chuàng)造力的產(chǎn)生，過(guò)少或過(guò)多的約束都會(huì)降低創(chuàng)造力水平[16]?；诂F(xiàn)有研究，影響創(chuàng)新過(guò)程的所有約束按照屬性的不同可以分為問(wèn)題約束和資源約束兩種類(lèi)型[17]。資源約束也被稱(chēng)為過(guò)程約束，是指限制人們參與創(chuàng)造性過(guò)程中所受到的時(shí)間、材料、資金和設(shè)備等方面的限制；問(wèn)題約束也稱(chēng)產(chǎn)品約束，包括產(chǎn)品需求、顧客偏好和組織需求等，其構(gòu)成了人們?cè)趧?chuàng)造過(guò)程中追求的目標(biāo)。就產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)而言，由于其受生產(chǎn)要素和商業(yè)推廣等方面的影響較少，因此產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)中的資源約束主要指產(chǎn)品技術(shù)層面的約束，如產(chǎn)品專(zhuān)利、跨領(lǐng)域知識(shí)或技術(shù)等。借助資源與問(wèn)題這兩種不同類(lèi)型的約束，能夠構(gòu)建出約束與創(chuàng)造力水平關(guān)系圖，如圖1所示。ABCD四個(gè)區(qū)域，B、D兩個(gè)區(qū)域分別由于約束過(guò)多和過(guò)少而導(dǎo)致創(chuàng)造力水平較低，不利于創(chuàng)新；A、C兩個(gè)區(qū)域則由于較為平衡的約束與創(chuàng)造力關(guān)系而使創(chuàng)造力水平較高。結(jié)合突破性創(chuàng)新不確定因素多、預(yù)測(cè)難度大等特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)起點(diǎn)多處于區(qū)域D。在這一區(qū)域內(nèi)，創(chuàng)造力因約束過(guò)少、選擇過(guò)多而呈現(xiàn)出由于缺乏創(chuàng)造動(dòng)機(jī)導(dǎo)致的創(chuàng)造力水平低的特點(diǎn)?，F(xiàn)有研究成果大部分通過(guò)路徑a，以?xún)?yōu)先定義問(wèn)題的方式提高問(wèn)題約束水平，使創(chuàng)新問(wèn)題進(jìn)入?yún)^(qū)域A，進(jìn)而提高創(chuàng)造力水平并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。除此之外，很多突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例表明，通過(guò)路徑b，以?xún)?yōu)先創(chuàng)造創(chuàng)意的方式提高資源約束水平也能夠?qū)崿F(xiàn)突破性創(chuàng)新。具體而言，設(shè)計(jì)者可以首先產(chǎn)生一個(gè)創(chuàng)意想法，進(jìn)而在問(wèn)題領(lǐng)域的背景下探索這一想法，這一路徑同樣具有高度創(chuàng)造性。這彌補(bǔ)了現(xiàn)有創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型中問(wèn)題優(yōu)先這一單一路徑的劣勢(shì)，使產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)擁有更多的實(shí)現(xiàn)路徑。

圖1 約束與創(chuàng)造力水平關(guān)系

3.2 模型框架的構(gòu)建

為了能夠完整地表達(dá)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型與路徑，需要對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)進(jìn)行構(gòu)建。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，以漸進(jìn)性創(chuàng)新為代表的創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要包括發(fā)現(xiàn)、定義與評(píng)估問(wèn)題，搜集信息、探索想法，產(chǎn)生創(chuàng)造性想法，解決方案生成等步驟。研究表明，通過(guò)對(duì)約束類(lèi)型與來(lái)源的劃分，可以形成創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型的基本框架[18]。與約束類(lèi)型類(lèi)似，約束根據(jù)來(lái)源的不同可以分為內(nèi)部約束與外部約束[19]。內(nèi)部約束是指創(chuàng)造性解決問(wèn)題時(shí)自我施加的資源或問(wèn)題約束；外部約束是指由外部來(lái)源施加的資源或問(wèn)題約束。如圖2所示，產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型縱向坐標(biāo)兩端分別代表資源約束與問(wèn)題約束，橫向坐標(biāo)兩端分別代表設(shè)計(jì)者內(nèi)部約束與外部約束。

根據(jù)這一基本框架，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵步驟，可以將創(chuàng)造性活動(dòng)，如產(chǎn)生想法、闡述想法和醞釀想法，表現(xiàn)在圖2的下部，因?yàn)樗鼈兌贾苯邮軇?chuàng)新過(guò)程中可用資源水平的影響。相比之下，定義問(wèn)題、評(píng)估想法和改變問(wèn)題等活動(dòng)出現(xiàn)在圖2的上部，因?yàn)樗鼈兌贾苯邮艿皆O(shè)計(jì)者在創(chuàng)新過(guò)程中面臨的問(wèn)題約束影響。收集信息和探索想法顯示在圖2的左側(cè)，因?yàn)樗鼈冎苯邮艿皆O(shè)計(jì)者外部約束的影響。最后，選擇解決方案或出現(xiàn)解決方案的活動(dòng)在圖2的右側(cè)表示，因?yàn)樗鼈冎苯邮艿皆O(shè)計(jì)者內(nèi)部約束的影響。

圖2 產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型框架

3.3 產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過(guò)程模型構(gòu)建

產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型的特點(diǎn)在于其以突破性創(chuàng)新特點(diǎn)為依據(jù)，以構(gòu)建問(wèn)題空間為目標(biāo)，拓展了一條以創(chuàng)意為優(yōu)先項(xiàng)，為創(chuàng)意想法尋找適當(dāng)問(wèn)題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)路徑。這一過(guò)程模型與漸進(jìn)性創(chuàng)新過(guò)程模型的不同之處在于，前者從創(chuàng)造性想法出發(fā)，為這一想法尋找問(wèn)題，其創(chuàng)新過(guò)程中面對(duì)的主要約束是資源約束；后者則是先建構(gòu)問(wèn)題，而后根據(jù)問(wèn)題尋找創(chuàng)造性想法，其面對(duì)的主要約束是問(wèn)題約束。

基于創(chuàng)意優(yōu)先路徑的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型起源于Finke等[20]在1992年提出的“生成-探索”模型。該模型由創(chuàng)造性想法的生成和探索過(guò)程兩個(gè)階段組成。這兩個(gè)階段也是產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)創(chuàng)意優(yōu)先路徑的兩個(gè)組成部分。新的科技和知識(shí)的輸入，作為外部知識(shí)，通過(guò)與內(nèi)部知識(shí)的相互整合，形成創(chuàng)造性想法，這一初步的創(chuàng)意是“生成-探索”路徑的創(chuàng)新設(shè)計(jì)起點(diǎn)，被稱(chēng)為“前發(fā)明結(jié)構(gòu)”[18]。在創(chuàng)意優(yōu)先的問(wèn)題解決突破性產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型中，根據(jù)初步的創(chuàng)造性想法特征尋找和定義問(wèn)題是產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如圖3所示，創(chuàng)意優(yōu)先的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型是以創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為主體，以創(chuàng)造性想法（前發(fā)明結(jié)構(gòu)）為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)搜集信息、定義問(wèn)題、產(chǎn)生解決方案等流程，并進(jìn)行若干次循環(huán)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的。該過(guò)程與漸進(jìn)性創(chuàng)新過(guò)程的不同之處在于，漸進(jìn)性創(chuàng)新從定義和評(píng)估問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)限制創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題約束來(lái)提高創(chuàng)造力水平，進(jìn)而完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于突破性創(chuàng)新過(guò)程中存在大量的不確定因素，其往往難以定義設(shè)計(jì)問(wèn)題。在此情況下，以定義和評(píng)估問(wèn)題作為突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)的起點(diǎn)顯然難以推進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程。結(jié)合對(duì)實(shí)踐案例的調(diào)查與研究，大量產(chǎn)品突破性創(chuàng)新案例證明，以跨領(lǐng)域知識(shí)或技術(shù)以及新的技術(shù)應(yīng)用為手段，以創(chuàng)意想法為優(yōu)先項(xiàng)的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)路徑，能夠有效實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新。例如，海爾冰箱將應(yīng)用在軍事和列車(chē)制造領(lǐng)域的氣懸浮無(wú)油動(dòng)力技術(shù)，跨領(lǐng)域運(yùn)用在冰箱壓縮機(jī)上，創(chuàng)造了海爾卡薩帝冰箱這一高端產(chǎn)品，完成了冰箱產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新[21]。日本任天堂公司推出的Wii系列游戲機(jī)，創(chuàng)造性地運(yùn)用了在家用電器和汽車(chē)行業(yè)中應(yīng)用的可以檢測(cè)三維運(yùn)動(dòng)的半導(dǎo)體技術(shù)，顛覆了原有的游戲方式，實(shí)現(xiàn)了游戲機(jī)產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新[22]。因此，以創(chuàng)造性想法為起點(diǎn)，通過(guò)為創(chuàng)造性想法尋找問(wèn)題這一路徑，借助限制創(chuàng)新問(wèn)題中的資源約束來(lái)提高創(chuàng)造力水平，進(jìn)而促進(jìn)創(chuàng)新過(guò)程的完成，為產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)提供了一條新的路徑。

圖3 產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型

4 基于突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程的模塊化自重構(gòu)地震搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)

4.1 突破性創(chuàng)新機(jī)會(huì)識(shí)別

當(dāng)前的智能機(jī)器人市場(chǎng)呈現(xiàn)出較高的增長(zhǎng)率，但作為新興產(chǎn)業(yè)，其市場(chǎng)規(guī)模仍處于較低水平，相應(yīng)的產(chǎn)品市場(chǎng)細(xì)分和產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展嚴(yán)重不足。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人作為智能機(jī)器人的一個(gè)重要類(lèi)別，具有鮮明的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)。其最初來(lái)源于分布式群智能機(jī)器人系統(tǒng)，由具有一定運(yùn)動(dòng)和感知能力的基本模塊組成，通過(guò)內(nèi)部物理連接來(lái)完善系統(tǒng)整體在環(huán)境和任務(wù)中的構(gòu)型和功能。一定數(shù)量的模塊群可以根據(jù)要求組成不同形態(tài)的機(jī)器人整體，進(jìn)而適應(yīng)廣泛的環(huán)境和任務(wù)要求。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人鮮明的技術(shù)特點(diǎn)使其具備了廣泛的應(yīng)用前景和突破性創(chuàng)新潛力。

4.2 模塊化自重構(gòu)機(jī)器人突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)創(chuàng)意生成

一般的智能機(jī)器人由于其較為單一的結(jié)構(gòu)與造型，往往只能適應(yīng)特定的工作和任務(wù)。對(duì)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人而言，由于其相對(duì)不固定的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，以及其較高的冗余特征和魯棒性，使其具備了出色的環(huán)境適應(yīng)能力和多任務(wù)處理能力。在具有較大不確定性和較為嚴(yán)苛的環(huán)境中，機(jī)器人面臨多種不確定情景與工作任務(wù)時(shí)，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人具有較強(qiáng)的適用性。在面對(duì)包含大量未知因素，如地震搜救、空間探索、深海探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，可以發(fā)揮出其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完成其他機(jī)器人無(wú)法應(yīng)對(duì)的任務(wù)，具有較高的應(yīng)用潛力與價(jià)值。

4.3 信息收集與想法探索

模塊化自重構(gòu)機(jī)器人具有多功能集成和方便攜帶等特征，能夠應(yīng)對(duì)未知、復(fù)雜、極端的環(huán)境，Ubot模塊集成度較高、技術(shù)較為成熟，是自重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的代表。通過(guò)對(duì)該模塊技術(shù)條件下應(yīng)用場(chǎng)景的信息搜索，確定了地震搜救的應(yīng)用場(chǎng)景。

首先，地震救災(zāi)問(wèn)題是我國(guó)現(xiàn)階段面臨的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。我國(guó)不僅地震災(zāi)害頻發(fā)，且重大地震災(zāi)害后的傷亡情況較為嚴(yán)重，通過(guò)解決震災(zāi)搜救任務(wù)中的問(wèn)題能夠保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。其次，震災(zāi)場(chǎng)景中的環(huán)境數(shù)據(jù)在獲取難度上較低且數(shù)據(jù)較為豐富，更具有可實(shí)施性。最后，經(jīng)過(guò)初步的分析可以發(fā)現(xiàn)，震災(zāi)環(huán)境中存在的建筑物縫隙等狹小空間是其應(yīng)用場(chǎng)景的重要特點(diǎn)和現(xiàn)存搜救問(wèn)題的主要矛盾之一，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人小型化、便攜化的技術(shù)特點(diǎn)符合這一特定環(huán)境的使用條件。在這些條件下，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人相比很多大型搜救機(jī)器人具有更大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以解決現(xiàn)有搜救機(jī)器人面對(duì)的難題，同時(shí)也能凸顯模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，符合突破性創(chuàng)新產(chǎn)品新穎性、獨(dú)特性的特征。因此，通過(guò)綜合對(duì)比分析，本文將地震搜救場(chǎng)景作為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)實(shí)踐的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.4 定義與評(píng)估問(wèn)題

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的搜索與分析，現(xiàn)有搜救機(jī)器人都無(wú)法適應(yīng)地震廢墟環(huán)境中的所有情景。通過(guò)對(duì)被困者及救援人員的訪談資料和調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行分析，結(jié)合用戶(hù)旅程圖等設(shè)計(jì)分析方法，得到用戶(hù)需求框架，如圖4。利用層次分析法，將用戶(hù)對(duì)搜救機(jī)器人的主要需求確定為多地形適應(yīng)能力（32）、生命探測(cè)（21）、目標(biāo)定位（23）、小巧輕便（41）等，如表1所示。同時(shí)，通過(guò)對(duì)搜救機(jī)器人技術(shù)和性能的分析，可以將相關(guān)制約因素歸納為移動(dòng)、感知、通信、續(xù)航及搜索等。其中，機(jī)器人的移動(dòng)能力是核心制約因素。結(jié)合用戶(hù)需求與技術(shù)制約因素，可以將搜救機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)核心問(wèn)題確定為震災(zāi)復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)能力及適應(yīng)性。利用情景分析方法，結(jié)合地震廢墟環(huán)境和用戶(hù)需求可以將搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)矛盾定義為搜救機(jī)器人在震災(zāi)廢墟環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性問(wèn)題。其中，震災(zāi)廢墟環(huán)境要素是核心制約要素。

圖4 地震搜救機(jī)器人用戶(hù)需求框架

表1 地震搜救機(jī)器人用戶(hù)需求指標(biāo)權(quán)重

Tab.1 User demand index weight of earthquake search and rescue robot

4.5 解決方案的生成

根據(jù)對(duì)汶川地震遺址的考察發(fā)現(xiàn)，地震廢墟環(huán)境非常復(fù)雜，除建筑物垮塌形成的障礙外，還包括室內(nèi)陳設(shè)障礙物，如圖5—6所示。依照廢墟環(huán)境的特點(diǎn)，可以將機(jī)器人工作環(huán)境路面分為砂石、階梯、陡坡、裂縫、崎嶇、狹小空間和較大障礙等類(lèi)型。其中，狹小空間對(duì)機(jī)器人的限制較大。

圖5 汶川地區(qū)地震廢墟內(nèi)部

圖6 汶川地區(qū)地震廢墟外部

通過(guò)對(duì)地震廢墟場(chǎng)景約束條件和地震親歷者訪談資料的分析，結(jié)合Ubot模塊化自重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)和物理學(xué)運(yùn)動(dòng)原理，其形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足環(huán)境空間尺寸要求、能夠通過(guò)障礙物、在多種路面條件下通行等條件。基于上述分析，結(jié)合仿生設(shè)計(jì)等方法，設(shè)計(jì)了龍形和犬形兩種構(gòu)型，以滿(mǎn)足不同環(huán)境下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求。這兩種構(gòu)型均采用24個(gè)模塊作為構(gòu)型基礎(chǔ)。龍形機(jī)器人采用鏈?zhǔn)竭B接方式，通過(guò)相鄰模塊的彎折實(shí)現(xiàn)爬行運(yùn)動(dòng)，可以利用其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)適應(yīng)縫隙、砂石和障礙等路面。尤其是在面對(duì)具有狹窄縫隙的環(huán)境時(shí)，龍形可以利用自身窄長(zhǎng)的形態(tài)特點(diǎn)，穿過(guò)縫隙進(jìn)入廢墟深處搜索被困人員。犬形采用混合式連接方式，機(jī)器人身體部分為陣列式連接，可以搭載多種工具模塊，四肢為鏈?zhǔn)竭B接，能夠?qū)崿F(xiàn)四足行走。犬形采用的足式行走運(yùn)動(dòng)方式具有更高的運(yùn)動(dòng)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)在廢墟環(huán)境中的快速運(yùn)行，可以適應(yīng)砂石、階梯、崎嶇等路面。結(jié)合Ubot模塊化自重構(gòu)機(jī)器人原有的幾種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，該機(jī)器人可以變形為龍形，通過(guò)狹窄縫隙或盤(pán)踞在欄桿上進(jìn)行探測(cè)；可以變?yōu)槿闻逝琅_(tái)階、陡坡或跨越開(kāi)裂路面，還可以變?yōu)榄h(huán)形快速通過(guò)平坦地區(qū)。結(jié)合模塊中的紅外感應(yīng)和熱感探測(cè)芯片，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)震災(zāi)廢墟內(nèi)部環(huán)境的探測(cè)和對(duì)被困人員的搜索。此外，該機(jī)器人還可以攜帶一定數(shù)量具有急救、心理安撫功能或定向頻率發(fā)射裝置的模塊，在發(fā)現(xiàn)被困者后可將該模塊卸載，為被困人員提供幫助或?yàn)榫仍藛T提供精準(zhǔn)定位。該設(shè)計(jì)利用對(duì)模塊化自重構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用，經(jīng)過(guò)形成創(chuàng)意、收集信息、定義問(wèn)題等過(guò)程，最終產(chǎn)生地震搜救模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)方案。基于突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程的模塊化自重構(gòu)地震搜救機(jī)器人概念設(shè)計(jì)在2018中國(guó)優(yōu)秀工業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)的評(píng)選中，得到了評(píng)委的一致好評(píng)，榮獲概念設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)。這一獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得在一定程度上證明了以創(chuàng)造性想法為優(yōu)先項(xiàng)的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型與路徑具備一定的可行性和有效性。模塊化自重構(gòu)地震搜救機(jī)器人見(jiàn)圖7。

圖7 模塊化自重構(gòu)地震搜救機(jī)器人

5 結(jié)語(yǔ)

為了更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新，聚焦產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，以約束作為構(gòu)建產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型的關(guān)鍵要素，通過(guò)約束來(lái)源與類(lèi)型的不同，將該模型劃分為四個(gè)象限并構(gòu)建了突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。根據(jù)突破性創(chuàng)新的特征，構(gòu)建了以跨學(xué)科知識(shí)運(yùn)用為產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)起點(diǎn)，以創(chuàng)意為優(yōu)先項(xiàng)的設(shè)計(jì)流程。利用該模型，通過(guò)模塊化震災(zāi)搜救自重構(gòu)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)驗(yàn)證了其可行性和有效性。該設(shè)計(jì)過(guò)程模型，符合突破性創(chuàng)新的特征與內(nèi)涵，能夠有效解決產(chǎn)品突破性創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程中難以定義設(shè)計(jì)問(wèn)題的矛盾，提高了創(chuàng)新效率，彌補(bǔ)了問(wèn)題優(yōu)先這一單一設(shè)計(jì)路徑的不足，為實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新增添了新的解決策略與路徑，具備理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

[1] 檀潤(rùn)華, 曹?chē)?guó)忠, 劉偉. 創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念與方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2019, 36(9): 1-6. TAN Run-hua, CAO Guo-zhong, LIU Wei. Concepts and Methods of Innovative Design[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(9): 1-6.

[2] 潘云鶴. 創(chuàng)新設(shè)計(jì): 全面提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力[J]. 紫光閣, 2015(11): 14. PAN Yun-he. Innovative Design: Comprehensively Enhancing National Competitiveness[J] Ziguangge, 2015 (11): 14.

[3] 檀潤(rùn)華, 王凡凡, 張俊磊, 等. 突破性創(chuàng)新與突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究綜述[J]. 包裝工程, 2022, 43(18)9-17, I0006. TAN Run-hua, WANG Fan-fan, ZHANG Jun-lei, et al. Study of Radical Innovation and Radical Innovative Design[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(18): 9-17.

[4] 王愛(ài)紅, 毛昕, 陳汗青. 產(chǎn)品突破性創(chuàng)新內(nèi)涵及其關(guān)鍵要素研究綜述[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2022, 39(12): 125-132. WANG Ai-hong, MAO Xin, CHEN Han-qing. Summary on Connotation and Key Elements of Product Radical Innovation[J]. Journal of Machine Design, 2022, 39(12): 125-132.

[5] VAN KLEEF E, VAN TRIJP H C M, LUNING P. Consumer Research in the Early Stages of New Product Development: A Critical Review of Methods and Techniques[J]. Food Quality and Preference, 2005, 16(3): 181-201.

[6] 平恩順, 檀潤(rùn)華, 孫建廣, 等. 面向成熟期產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)模糊前端階段過(guò)程研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2014, 21(2): 101-108. PING En-shun, TAN Run-hua, SUN Jian-guang, et al. Research on Maturity Stage Product Radical Innovation Design Process on the Stage of Fuzzy f Ront End[J]. Journal of Engineering Design, 2014, 21(2): 101-108.

[7] BERNARD A, COATANEA E, CHRISTOPHE F, et al. Design: A Key Stage of Product Lifecycle[J]. Procedia CIRP, 2014, 21: 3-9.

[8] 楊伯軍, 馮雁霞, 孫群. 基于激進(jìn)式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2018, 29(9): 1025-1030. YANG Bo-jun, FENG Yan-xia, SUN Qun. Product Radical Innovation Design Processes Based on Radical Trimming[J]. China Mechanical Engineering, 2018, 29 (9):1025-1030

[9] 張換高, 賈樹(shù)璇. 突破性創(chuàng)新及其實(shí)現(xiàn)方法研究綜述[J]. 包裝工程, 2023, 44(2): 8. ZHANG Huan-gao, JIA Shu-xuan. Review of Radical Innovation and Its Realization Methods[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(2): 8.

[10] 平恩順, 檀潤(rùn)華, 孫建廣. 基于TRIZ的機(jī)械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生過(guò)程研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2014, 25(18): 2439-2446. PING En-shun, TAN Run-hua, SUN Jian-guang. Research on Ideas Generation Process for Mechanical Product Radical Innovation Based on TRIZ[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(18): 2439-2446.

[11] WEYRAUCH T, HERSTATT C, TIETZE F. The Objective–Conflict–Resolution Approach: A Novel Approach for Developing Radical and Frugal Innovation[J]. IEEE Transactions on Engineering Management, 2021, 68(3): 699-712.

[12] WANG Kang, TAN Run-hua, PENG Qing-jin, et al. Radical Innovation of Product Design Using an Effect Solving Method[J]. Computers & Industrial Engineering, 2021, 151: 106970.

[13] FRISHAMMAR J, DAHLSKOG E, KRUMLINDE C, et al. The Front End of Radical Innovation: A Case Study of Idea and Concept Development at Prime Group[J]. Creativity and Innovation Management, 2016, 25(2): 179-198.

[14] AMABILE T M. Effects of External Evaluation on Artistic Creativity[J]. Journal of Personality and Social Psychology, 1979, 37(2): 221-233.

[15] DECI E L, RYAN R M. The General Causality Orientations Scale: Self-Determination in Personality[J]. Journal of Research in Personality, 1985, 19(2): 109-134.

[16] GILLIER T, CHAFFOIS C, BELKHOUJA M, et al. The Effects of Task Instructions in Crowdsourcing Innovative Ideas[J]. Technological Forecasting and Social Change, 2018, 134: 35-44.

[17] ROSSO B D. Creativity and Constraints: Exploring the Role of Constraints in the Creative Processes of Research and Development Teams[J]. Organization Studies, 2014, 35(4): 551-585.

[18] CROMWELL J R, AMABILE T M, HARVEY J F. An Integrated Model of Dynamic Problem Solving within Organizational Constraints[M]//Individual Creativity in the Workplace. Amsterdam: Elsevier, 2018: 53-81.

[19] RYAN R M, DECI E L. Self-Determination Theory and the Facilitation of Intrinsic Motivation, Social Development, and Well-being[J]. American Psychologist, 2000, 55(1): 68-78.

[20] FINKE R A, WARD T B, SMITH S M. Creative cognition: theory, research, and applications[M]. Cambridge, Mass.: MIT Press, 1996

[21] 滕東暉, 萬(wàn)新明, 高俊光, 等. 用戶(hù)需求+跨界知識(shí), 打造突破性創(chuàng)新產(chǎn)品——HOPE平臺(tái)的跨界融合[J]. 清華管理評(píng)論, 2019(1): 28-37.TENG Dong-hui, WAN Xin-ming, GAO Jun-guang, et al. User’s Demand+ Cross-border Knowledge Create Breakthrough Innovative Product—Transboundary Fusion of Hope Platform[J]. Tsinghua Business Review, 2019(1): 28-37.

[22] VERGANTI R. Design Driven Innovation: Changing the Rules of Competition by Radically Innovating What THINGS mean[M]. Boston: Harvard Business Press, 2009.

Product Conceptual Design Process Model of Radical Innovation

MAO Xin1,2, WANG Ai-hong1, CHEN Han-qing1,2

(1.School of Design and Art, Jingdezhen Ceramic Institute, Jiangxi Jingdezhen 333403, China;2.Design Academy, Sichuan Fine Arts Institute, Chongqing 401331, China)

Product radical innovation design is an effective way to improve product value, enhance industrial competitiveness, and achieve the goal of "Created in China". In order to realize the product radical innovation, it is very important to construct a model conforming to the characteristics of radical innovation. Based on the product conceptual design stage and the connotation and characteristics of radical innovation, through analysis and synthesis of literature, constraints and innovation were linked by creativity. The "generation-exploration" model of creativity was used for reference to explore new path for product radical innovation conceptual design. A new conceptual design process model for product radical innovation is explored. Based on the framework of constraint types and sources, the model aims to improve the level of innovation resource constraints to enhance creativity. Cross domain knowledge and technology are used to form a radical conceptual design path that prioritizes ideas for product innovation. The validation of modular self reconfigurable robot conceptual design practice shows that the model can effectively support the development of product radical innovation conceptual design, and has certain theoretical value and practical significance.

radical innovation; conceptual design model; creativity; constraints; creative priority path

TB472

A

1001-3563(2023)10-0251-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.025

2022–12–22

毛昕（1989—），男，博士生，講師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

陳汗青（1946—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：馬夢(mèng)遙