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科研创新:爱迪生的思路与策略 精选

已有 5772 次阅读 2021-4-20 15:48 |系统分类:科研笔记

爱迪生(Thomas Alva Edison, 1847-1931)是有史以来天赋最高产出的发明家之一。自21岁申请第一项专利起,他和他的团队一共享有1,093项美国专利,还不算500项尚未完成或被拒绝的申请。由于爱迪生没有详细记载他在取得每一项突破时曾经采用的思路与策略,后人很难从他所享有的专利里体会和学习其创新方法,从而提高科研创新效率。下面,我们通过回顾爱迪生及其团队的六项极富创意且影响深远的发明,试图解析其创新思路与策略,并结合前面文章里讨论过的科研创新的有效思路(递推,平行,因果,逆向,随机)策略(争先,更好,不同)(见<科研创新的有效思路><我的科研创新策略><科研创新的突破>),揭开科研创新的神秘面纱,启迪科研创新实践。


自动电报(Automatic Telegraph。美国发明家摩尔斯(Samuel Morse)在1832-1835年间发明的电报机electric telephone)使长距离通信成为可能。但由于该设备需要操作员聆听摩尔斯电码中传入的点和破折号,使消息的传递速度局限在每分钟25-40个单词。即使后来采用了来自英国的一种在纸上用墨水打印代码的自动系统也只能在每分钟内记录120个单词。为了提高该电报机的效率,爱迪生在1870-1874年间利用金属笔在经过化学处理的纸张上进行标记,进而开发了一种优越的类似打字机的自动电报接收器,每分钟可记录多达1,000个单词,使快速发送长篇消息成为现实。这里,爱迪生采取了“不同”(即用金属笔在经过化学处理的纸张上进行标记)的科研创新策略,得了“更好”(即每分钟记录1,000个单词)的渐进性突破(自动电报接收器)。


碳电话发送器(Carbon Telephone Transmitter。美国发明家贝尔(Alexander Graham Bell)在1876年申请了电话专利(即贝尔电话或贝尔发送器)。但受制于弱电流,贝尔电话传送的距离非常有限。爱迪生设想,如果能够用电池为电话线提供电流,并通过碳来改变电阻以控制其强度,或许可以改善贝尔电话。于是,除了利用电池在电话线上提供电流,爱迪生在发送器里将一小块烟灰黑碳(由烟灰制成的黑碳)放置在膜片后面。当有人向电话讲话时,声波移动了振动膜,导致烟灰黑碳的压力变化。爱迪生后来用细煤颗粒代替烟灰黑碳,这种基本设计一直沿用到1980年代。显而易见,爱迪生采取了“不同”(即用电池电话线提供电流和碳来改变电阻以控制其强度)的科研创新策略,得了“更好”的渐进性突破(碳电话发送器或电话)


电灯泡(Light Bulb。第一盏电灯可归功于戴维(Humphry Davy)在1802年发明的电弧灯,而第一个白炽灯泡当属斯旺(Joseph Wilson Swan)在1850年用抽空的玻璃灯泡包裹着的碳化纸丝(1878年换成经过处理的棉线以延长灯泡寿命并解决灯泡过早变黑的问题)。爱迪生从1878年起开始研究实用白炽灯,并于1878年10月申请了“电灯的改进”专利,继而在1879年11月申请了“盘绕并连接至铂制接触线的碳丝或竹子长纤维”的真空电泡专利,将灯泡的使用寿命延长到1,200小时。很显然,爱迪生采取了“不同”(即竹子长纤维)的科研创新策略,获得了“更好”(使用寿命长达1,200小时)的渐进性突破(白炽灯泡)。


留声机(Phonograph。在开发碳电话发送器时,爱迪生萌发了设计一台可以记录和播放电话信息的机器的想法。通过使用声音振动膜去推动一根针,并在包着蜡纸的圆柱体(该圆柱体可由曲柄转动来控制)上刻入凹痕。凹痕不仅可以记录声音,而且还可以记录音乐。1877年末,爱迪生用锡箔纸代替蜡纸,录制了一首童谣。次年,他获得了圆筒留声机的专利,让人的声音再现变成现实。爱迪生的圆筒留声机引起了轰动,并助他赢得了伟大发明家的声誉。尽管爱迪生的圆筒留声机可以产生优良的声音质量,但1900年代初期出现的播放唱片的留声机可以容纳4分钟音乐(而圆筒留声机只能容纳2分钟音乐),因此更受欢迎,更为流行。这回,爱迪生采取了“递推”思路(即将电话信息记录下来以便随时播放)及“不同”(即锡箔纸代替蜡纸)的科研创新策略,获得了“更好”的原创性突破(圆筒留声机)。


电影摄影机和放映机(Movie Camera and Viewer。1891年,爱迪生的雇员迪克森(William Dickson)设计了活动摄影机(即kinetograph camera或 movie camera)。该摄影机通过电动机驱动带齿胶片进行拍摄。为了控制胶卷在相机中的间歇运动,使胶片停下足够长的时间以充分曝光,并快速(大约1/460秒)推进到下一幅,迪克森首次采用了一种高速走走停停的机制。随后,迪克森将一条含有图画的胶片在镜头和电灯泡之间快速通过(每秒46幅),使观众经嵌有狭窄缝隙的纺纱轮的窥视孔里看到逼真的人物和运动对象的再现,造就了无声电影放映机(即kinetoscope或movie viewer)。1894年,普罗申斯基(Kazimierz Prószyński)将投影仪和照相机合二为一,促成了有声电影。可见,迪克森运用了“不同”(即由电动机驱动带齿胶片进行拍摄和嵌有狭窄缝隙的纺纱轮的窥视孔)的科研创新策略,获得了“更好”的原创性突破(电影摄影机和放映机)。


碱性蓄电池(Alkaline Storage Battery。19世纪后期的电动汽车依赖笨重的酸性蓄电池。这类蓄电池容易漏酸,腐蚀汽车部件。经过深入研究,爱迪生设计了一种可靠的碱性蓄电池。尽管福特(Henry Ford)后来研发的廉价T型车(搭载内燃机)很快让爱迪生的碱性蓄电池黯然失色,但该类电池仍被广泛应用于采矿灯,火车和潜水艇,并成为爱迪生最成功的产品。不难看出,爱迪生运用“逆向”思(即用碱性替代酸性),获得了“更好”的渐进性突破(碱性蓄电池)。


爱迪生及其团队的六项极富创意且影响深远的发明中可以看到,爱迪生及其团队采取了“递推”与“逆向”思路和“不同”的科研创新策略,获得了一个又一个“更好”的渐进性或原创性突破。爱迪生及其团队的创新思路策略,跟前面文章里讨论过的科研创新的有效思路(递推,平行,因果,逆向,随机)策略(争先,更好,不同)(见<科研创新的有效思路><我的科研创新策略><科研创新的突破>)有一种不谋而合,殊路同归的默契。因此,灵活地运用这些科研创新的有效思路策略,可以让你像爱迪生及其团队一样,在科研创新实践中收获颇丰。

 




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