敲钟——机械系统的替代原理应用

在瓷器的二次烧制工序之间，要进行检验，俗称“敲钟”根据检验结果来确定第2次烧制的温度。 “敲钟”的工序是这样进行的：检验员用一只特制的小锤轻轻敲击瓷器，然后根据声音判断烧制的程度。

由于这个工序对检验员的技能要求很高，而且这种人工判断的方式波动很大，公司决定使用机器人来代替检验员的工作。

于是，工程师们设计制造了有 2只手的机器人，一只手拿瓷器，另一只手拿小锤。敲击的声音通过麦克风来接收，然后传送到声音分析仪进行分析判断。

机器人安装到生产线上后，很快又被搬走，恢复到原来人工检验的状态。 原因是，机器人检验中，手臂移动得快回敲碎瓷器，缓慢移动将远远低于人工检验的速度。

工程师们非常失望，一个良好的愿望眼看就要失败了。

突然，萃智先生出现了。

“我们的机器人还是在用机械方式进行检测，显然需要再次进化。”他说。

于是，一个基于机械系统替代原理的解决方案产生了：在陶瓷电阻生产的过程测试中，采用的是光测试，从电阻上反射的光强度 取决于烧制的程度。所以，瓷器的检验也可以使用光测试来进行。看来，跨行业间的技术交流和共享非常重要。

这个故事应用了机械系统的替代(replacement of mechanical system)原理，该原理体现在4个方面：

1.用感官刺激的方法代替机械手段。

比如：用声学“栅栏”(动物可听见的声学信号)代替真正现实中的栅栏， 来限制狗或猫的行动；在天然气中加入气味难闻的混合物，警告用户发生了泄露，而不采用机械或电器类的传感器。

2.采用与物体相互作用的电、磁或电磁场。

比如：为了混合两种粉末，用产生静电的方法使一种产生正电荷，另一种 产生负电荷。用电场驱动它们，或者先用机械方法把它们混合起来，然后使它们获得电场，导致粉末颗粒成对的结合起来。

3.场的替代：从恒定场到可变场，从固定场到随时间变化的场，从随机场到有组织的场。

比如：早期通信中采用全方位的发射，现在使用有特定发射方式的天线。

4.将场和铁磁离子组合使用。

比如：铁磁催化剂，呈现顺磁状态。

第1条措施告诉我们，如果我们的系统是机械系统，我们可以尝试通过使用光学系统、声学系统、热力学系统、嗅觉系统来替代现有的系统，或者把现有系统发展成上述系统。这条经验并不是说机械系统一无是处，只是跟光，声，热，嗅觉等系统相比，机械系统在材料小孩，轻便化，尺寸减小，以及柔性化等方面都不及这些系统。下面是一些例子：A）比如切割从机械锯，到高速流体锯，再到激光切割；B）物理键盘输入-->语音输入；C）机械球鼠标-->光电鼠标；D）机械键盘-->触摸屏-->激光投影；E）机械洗衣-->超声波洗衣-->电离洗衣（无洗衣粉洗衣机)；F）有线系统-->无线系统（卫星电视等）;G )煤气中加入难闻气体，作为气体泄漏的警示：H）声音栅栏；利用电磁场替代机械振动来混合粉末；

而在系统之间或者系统部件之间进行相互作用，使用电，磁或电磁场来替代机械作用的好处是非常明显的，因为机械的相互作用存在着必须接触，摩擦大，易损等劣势，而用场，则没有这些问题，而且还可以远距离作用。这就是第2条措施所表达的内容。用无线连接（红外等）替代有线连接（比如双绞线等）：A）无线网络：B）门铃；（代替手动敲门）；C）声控；红外感应；

第3条措施，移动场替代静止场，时变场替代固定场，结构化场替代非结构化场，这体现的是系统进化中的动态性法则。移动场，时变场相对于禁止场和固定场而言，更具有可移动性，结构化场比非结构化场更具有可控性。从信息量的角度来看，越是可变的事物包含的信息量越大，可为我们利用的特性越多。重力场，静电场，静磁场等可看作是静止场；直流电场是固定的，而交流电磁场则是时变场。

  对于第4条，主要是充分利用磁性颗粒在场（电磁场）中的顺磁性，这种例子非常多：A）磁带；磁盘；B）铁磁催化剂可以让材料呈现顺磁状态;C)磁性研磨颗粒，便于研磨后的分离；E）磁化整理；利用磁性物体在电磁场中的顺磁性来整理原本紊乱的物体（一般是颗粒性物体）；F）一种利用磁性颗粒在时变场中的运动产生紊流来提高热交换效率的方法（苏联专利)。替代机械系统原理符合提高系统理想度进化法则，是一种系统改造的基本路径。