Oto tajna broń innowatorów, czyli z czym się je analizę morfologiczną

Pierwsze czytanie książki i prawdziwe olśnienie: to jest przecież zupełnie nowe zrozumienie projektowania koncepcyjnego konstrukcji i klucz do zrozumienia wielkich twórców nowatorskich konstrukcji inżynierskich. Rozpoczęła się epoka studiów morfologicznych, która nadal zresztą trwa, niemal 45 lat później.

Niedługo potem stałem się współzałożycielem Sekcji Heurystyki w Polskim Towarzystwie Cybernetycznym i jako człowiek odważny, a może zwyczajnie nierozważny młodością, podjąłem się wygłoszenia referatu na temat AM w czasie pierwszego posiedzenia naszej nowej Sekcji. Na zebranie przyszło zdumiewająco wielu ludzi o najróżniejszych zainteresowaniach naukowych od psychologii i filozofii po matematykę, ale wszyscy byli co najmniej o 20 lat starsi ode mnie i oczywiście wielokrotnie przewyższali mnie wiedzą i doświadczeniem, nie mówiąc o wspaniałych tytułach naukowych. Przyszedł nawet przyszły polityk Pan Docent Korwin-Mikke, który już wówczas wygłaszał kontrowersyjne opinie i wzbudzał przerażenie u wielu.

Wykład przeszedł dobrze, aczkolwiek było to moje pierwsze wystąpienie publiczne poza moim środowiskiem uczelnianym. Grupowe rozwiązywanie problemu (buty do chodzenia po bagnie), którego sam wcześniej zresztą nie rozwiązałem, przyniosło kilka ciekawych pomysłów, które się podobały. Dyskusji jednak nigdy nie zapomnę. Rozpętała się dosłownie burza i uczestnicy prześcigali się z wielka pasja w krytyce, lub pochwałach AM, oraz we wzajemnej krytyce. Temperatura zebrania gwałtownie rosła, a ja byłem zdumiony faktem, że moja techniczna prezentacja wywołała tak nieoczekiwane reakcje, nie mówiąc o tym, że wiele wypowiedzi wydawało mi się absolutnie niezrozumiałych. Szczęśliwie zebranie zakończyło się, ale jego negatywne skutki uczelniane jeszcze długo odczuwałem. Na sali znalazł się bowiem pracownik mojego Zakładu Konstrukcji Metalowych na PW, osoba mi nieżyczliwa, który później przedstawił cały mój wykład jako kompromitację Zakładu, ponieważ najmłodszy pracownik pozwolił sobie na wystąpienie publiczne na nieznany i nieinżynierski temat i został skrytykowany.

Kilka miesięcy później wydarzyła się zresztą inna absurdalna a podobna historia, w którą młodsi czytelnicy zapewne nigdy nie uwierzą. Otrzymałem z PAN grant na studia AM, który został odrzucony przez PW. Administracja uznała, że zwyczajnie nie może pozwolić na prowadzenie zlecenia z PAN przez kogoś tak młodego i niedoświadczonego jak ja i prawdopodobnie wyznaczyła prawdziwie godnego uczonego do przejęcia projektu, kogoś trzykrotnie starszego, o wielu wspaniałych tytułach, również partyjnych, który pewnie nie miał pojęcia o AM. PAN wycofał zlecenie. Niestety, pionierzy zawsze maja strzały wbite w plecy, ale to już inna sprawa.

AM okazała się niezwykle użyteczna do celów klasyfikacyjnych i została wykorzystana w mojej rozprawie doktorskiej. Później zresztą rozwinąłem moje badania morfologiczno-klasyfikacyjne i stworzyłem tzw. Drzewa Morfologiczne, ale o tym później. W 1975 roku, już po uzyskaniu doktoratu zostałem zmuszony do opuszczenia uczelni (pod pozorami konieczności zdobycia doświadczenia) i znalazłem się w Mostostalu wśród wspaniałych fachowców i ludzi mi bardzo życzliwych. Wówczas zastosowałem AM do klasyfikacji połączeń w stalowych konstrukcjach przestrzennych, co wiele lat później, już w USA, wykorzystałem do mojego wynalazku nowego typu połączenia, opatentowanego w USA i Kanadzie.

Po roku pracy w Mostostalu w roku 1978 wyjechałem do Nigerii, gdzie szczęśliwie mogłem zająć się dalszymi studiami matematycznymi i morfologicznymi. W roku 1981 roku stworzyłem model matematyczny AM, a następnie wykorzystałem ten model do budowy programu komputerowego automatycznie generującego koncepcje projektowe. Przez wiele tygodni prowadziłem eksperymenty, w których mój program wyprodukował innowacyjną konstrukcję budynku wysokiego, która zresztą została później opublikowana w Monografii Budynków Wysokich wydawanej przez Lehigh University w USA. Prawdopodobnie był to pierwszy taki program w skali światowej, (robo wynalazca) ale ja musiałem wyjeżdżać do obozu dla uchodźców i oczywiście promocja moich osiągnięć badawczych nie była moim priorytetem. Szczęśliwie, kilka lat później i już w USA uzyskałem finansowanie z NSF na podstawie moich wcześniejszych wyników uzyskanych w Nigerii.

Ostatnio, około rok temu, zostałem zaproszony przez Szwedzkie Towarzystwo Morfologiczne na zamknięty warsztat na temat AM, organizowany w Bilbao, w Hiszpanii. To było niezwykle spotkanie morfologów z całego świata, a ja poznałem najnowsze zastosowania AM. Nasze rozmowy również potwierdziły, że AM jest nie tylko stosowana w wielu krajach, ale jest nadal rozwijana, głownie w kontekście prac analitycznych dotyczących wojskowości, inżynierii i prognozowania.

Twórca AM, Fritz Zwicky, był człowiekiem niezwykłym, a jego losy osobiste znakomicie przygotowały go do myślenia kreatywnego i tworzenia nowych pojęć, a nawet całych nowych dziedzin nauki i inżynierii. Zwicky był urodzony w Bułgarii, ojciec Szwajcar, matka Czeszka, dzieciństwo spędził w Bułgarii, młodość w Szwajcarii, a w wieku 27 lat wyjechał do USA, gdzie pracował do końca życia na uczelni Caltech w Kalifornii. W ten sposób poznał trzy całkowicie różne kultury, mówił kilkoma językami i miał szerokie zrozumienie świata i nauki, szczególnie, że jego studia były również niezwykle szerokie. Zwicky studiował w Szwajcarii inżynierię, matematykę i fizykę eksperymentalną, co było i jest rzadkością, a co pomogło mu stać się prawdziwym renesansowym człowiekiem i interdyscyplinarnym, jeżeli nie transdyscyplinarnym naukowcem zmieniającym świat.

Zwicky był wielkim naukowcem, przez wielu uważany nawet za geniusza, który dokonał wieku fundamentalnych odkryć w astronomii, astrofizyce i kosmologii, której był zresztą współtwórca. Był on również wynalazca z około 50 patentami, głownie związanymi z silnikami rakietowymi i odrzutowymi; jest on nawet uważany za ojca nowoczesnego silnika odrzutowego. Jest on niestety niemal całkowicie zapomnianym uczonym; miał zwyczaj mówić prawdę kolegom, co przysporzyło mu wielu śmiertelnych wrogów, którzy oczywiście zrobili wszystko, aby jego dorobek został zapomniany.

Zwicky zaproponował AM w 1948 roku w czasie wykładu na uniwersytecie Oxford w Anglii. Później uważał zresztą, że AM była jednym z jego największych osiągnięć i napisał „Mam wrażenie, że wreszcie odkryłem kamień filozoficzny, istotę nauki”.

AM stosujemy do poszukiwania rozwiązań o charakterze jakościowym, tzn. nie szukamy wymiarów ale koncepcyjnie nowych rozwiązań. W pracy wykorzystujemy podstawową zasadę modelowania w nauce, czyli zasadę „analizy i syntezy” lub „podziału i integracji”. Podstawowe założenia metody to:

Problem rozwiązujemy w ramach tzw. „zamkniętego świata”, tzn. pozyskujemy wiedzę potencjalnie związaną z naszym problemem i „magazynujemy” ja w „Tabeli Morfologicznej” (termin później wyjaśniony). Następnie ta tabela staje się wyłącznym źródłem wiedzy użytym do „produkcji” rozwiązań.

Rozwiązaniem problemu jest nowa koncepcja/idea opisana przez skończoną liczbę atrybutów symbolicznych i ich wartości. Taki opis powinien być niezbędny i wystarczający do zidentyfikowania wszystkich znanych rozwiązań i do ich rozróżniania. Atrybuty symboliczne (jakościowe, abstrakcyjne) to takie jak Kształt Przekroju (trójkąt, kwadrat, koło, inne) lub Kolor (zielony, czerwony, inne).

Każdy problem może zostać podzielony na skończoną liczbę elementarnych podproblemów, które są dalej niepodzielne.

W czasie analizy morfologicznej każdy podproblem musi być rozpatrywany całkowicie niezależnie od pozostałych podproblemów, które są czasowo „zapomniane”. Jakiekolwiek związki pomiędzy podproblemami muszą być również czasowo „zapomniane”.

Wszystkie podproblemy i ich rozwiązania są łącznie przedstawione w tabeli zwanej „Tabela Morfologiczna”, która zawiera cala wiedzę związaną z problemem.

W Tabeli każdy wiersz jest czasowo całkowicie niezależny od pozostałych wierszy.

Każdy wiersz reprezentuje inny podproblem i związany z nim atrybut symboliczny (A1 do A5 w tabeli poniżej) oraz zawiera wszystkie możliwe wartości danego atrybutu. Przykładowo, dla atrybutu A2: A21 i A22.

Każde potencjalne rozwiązanie całego problemu jest reprezentowane przez sekwencje wszystkich atrybutów z danej tabeli i kombinacje ich wartości, biorąc po jednej wartości z każdego wiersza. Przykładowo, w naszej tabeli powyżej kombinacja A11, A22, A32, A41, i A52 jest potencjalnym rozwiązaniem całego problemu.

Każde potencjalne rozwiązanie całego problemu jest generowane losowo jako kombinacja wartości symbolicznych ze wszystkich wierszy tabeli, biorąc jedną wartość z każdego wiersza.

Założenia 1-7 są związane z procesem podziału a dwa pozostałe założenia (8,9) z procesem integracji.

Etap 1. Identyfikacja i Sformułowanie Problemu

Krok 1.1. Sformułowanie wyzwania kreatywnego

Proces zaczyna się od opisania ogólnego wyzwania kreatywnego dla morfologa. To może być wyzwanie wynalazcze dla inżyniera wynalazcy (na przykład „stworzenie urządzenia do produkcji energii elektrycznej z powietrza”), ale również wyzwanie nieinżynierskie, na przykład wyzwanie społeczne, jak poprawić stan bezpieczeństwa publicznego w Warszawie.

Krok 1.2. Ustalenie dziedziny problemu

Celem tego kroku jest ustalenie obszaru wiedzy, który będzie użyteczny do zaadresowania wyzwania kreatywnego. Zawsze należy szukać obszarów wiedzy nie tylko bezpośrednio związanej z wyzwaniem, ale również obszarów wiedzy potencjalnie związanych z wyzwaniem, tzw. „Drugorzędnych Obszarów”. W przypadku „poprawy stanu bezpieczeństwa publicznego w Warszawie”, główny obszar wiedzy to „kryminalistyka”, a drugorzędne obszary to przykładowo „statystyka”, „socjologia”, i „psychologia społeczna”.

Krok 1.3. Ustalenie granic problemu

W tym kroku, zwanym również „Tyczeniem” pozyskujemy wiedzę, która będzie wykorzystana do rozwiązania problemu i ustalamy jej granice. W procesie wykorzystujemy różne metody i narzędzia „Inżynierii Wiedzy”. Często jest to najdłuższa i najbardziej pracochłonna część całego procesu Analizy Morfologicznej.

Krok 1.4. Sformułowanie problemu

Celem tego kroku jest ostateczne przygotowanie i koordynacja trzech roboczych dokumentów: „Wyzwanie Kreatywne”, „Obszar Wiedzy” i „Informacje Szczegółowe”. Pierwszy dokument powinien krótki, około strony i napisany potocznym językiem, unikając wyrażeń fachowych, które mogłyby sugerować przyszłe rozwiązania. „Obszar Wiedzy” również powinien być stosunkowo krótki, najwyżej kilka stron, ale w tym przypadku użyty język może być bardziej specjalistyczny i precyzyjny. Trzeci dokument, „Informacje Szczegółowe” może być dowolnej długości wynikającej ze stopni złożoności wyznania kreatywnego i bogactwa dostępnej wiedzy.

Krok 2.1. Identyfikacja symbolicznych atrybutów

Identyfikacja symbolicznych atrybutów jest najtrudniejszą częścią Analizy Morfologicznej. Wymaga ona umiejętności myślenia abstrakcyjnego i przełożenia tradycyjnych opisów wyzwania kreatywnego (słowa, rysunki, wymiary, liczby, itd.) na język atrybutów symbolicznych. Szczęśliwie, taką umiejętność można zdobyć przez praktykę.

Krok 2.2. Ustalenie wartości symbolicznych atrybutów

Jest to czasochłonny proces, wymagający niezależnej analizy poszczególnych atrybutów i przypisywania im wszystkich możliwych wartości symbolicznych na podstawie wiedzy uprzednio pozyskanej i zawartej w dokumencie „Obszar Wiedzy”. Pozyskane atrybuty i ich wartości należy następnie zweryfikować sprawdzając ich kompletność, tzn. sprawdzając, czy wszystkie znane rozwiązania mogą zostać opisane przy pomocy tych atrybutów i ich wartości oraz czy możemy dokonać rozróżnień pomiędzy tymi rozwiązaniami wykorzystując jedynie zidentyfikowane atrybuty. W złożonych przypadkach inżynierskich ten krok może wymagać nawet kilku tygodni pracy morfologa, współpracującego z zespołem ekspertów, jak to zdarzyło się kiedyś autorowi tego blogu.

Krok 2.3. Budowa Tabeli Morfologicznej

Znając wszystkie atrybuty i ich wartości zestawienie ich w postaci tabelarycznej nie wymaga wyjaśnienia, ale należy pamiętać o dodaniu do każdego wiersza wartości „inne”. Jest to magiczne słowo, które uruchamia nasza podświadomość i zmusza do dalszego myślenia o brakujących wartościach. To zazwyczaj kończy się odkryciem lub znalezieniem takich wartości, co jest oczywiście pożądane.

Synteza jest etapem, którego celem jest znalezienie w naszym polu morfologicznym ścieżki (kombinacji wartości), która opisuje poszukiwane rozwiązanie.

Krok 3.1. Losowa generacja potencjalnych rozwiązań

Prawdopodobnie najciekawszą częścią Analizy Morfologicznej jest losowa generacja różnych kombinacji wartości atrybutów, za którymi kryją się najróżniejsze potencjalne rozwiązania problemu. Generacja może zostać wykonana, na przykład, przy pomocy papugi wyciągającej szklane kulki z numerami z wielkiej misy, ale również przy użyciu programu komputerowego. (Wasz bloger w roku 1981 opracował taki program w Nigerii, który wykorzystywał model matematyczny Analizy Morfologicznej w postaci niejednorodnego łańcucha Markowa).

Krok 3.2. Analiza wykonalności

Celem Analizy Wykonalności jest wyeliminowanie wszystkich kombinacji, które reprezentują niewykonalne lub bezużyteczne rozwiązania. Jest to subiektywny proces wymagający dużo doświadczenia i zrozumienia AM. W każdym przypadku należy wyeliminować kombinacje reprezentujące rozwiązania sprzeczne z prawami natury, na przykład woda płynąca pod górę w otwartym kanale. Należy jednak pamiętać, że eliminując zbyt dużą liczbę kombinacji można pozbyć się nowatorskich rozwiązań, a eliminując zbyt małą liczbę kombinacji można się znaleźć w sytuacji, w której nie mamy wystarczająco dużo czasu na konieczna analizę wyników i możemy przeoczyć nieoczywiste, a potencjalnie obiecujące kombinacje.

Krok 4.1. Przygotowanie Raportu

Końcowy raport powinien zawierać informacje konieczna do zrozumienia przeprowadzonej Analizy Morfologicznej i jej wyników. Powinien on zawierać trzy części: „Podsumowanie”, „Sformułowany Problem” i „Nowe Rozwiązania”. Pierwsza cześć powinna zostać napisana prostym niespecjalistycznym językiem, ponieważ jest ona przeznaczona głównie dla decydentów i wszystkich osób zainteresowanych projektem.

Nie powinna ona być zbyt długa, co najwyżej 1-2 strony. Cześć druga, „Sformułowany Problem” nie powinna również być zbyt długa a wcześniej przygotowany dokument (w ramach pierwszego etapu) powinien być zrewidowany i ewentualnie poprawiony, wykorzystując ostatnio zdobyte dodatkowe zrozumienie problemu. Ostatnia cześć raportu, „Nowe Rozwiązania”, powinna zawierać opis przeprowadzonej Analizy Morfologicznej i przedstawić trzy grupy rozwiązań: „Obiecujące Rozwiązania”, „Użyteczne Rozwiązania” i „Interesujące Rozwiązania”, po 3-5 rozwiązań w każdej kategorii. Pierwsza kategoria to rozwiązania rekomendowane do dalszej analizy i rozwoju w patentowane wynalazki. Druga kategoria to rozwiązania potencjalnie użyteczne, ale niekoniecznie prowadzące do wynalazków. Ostatnia kategoria to rozwiązania, które w danej chwili są przedwczesne z punktu widzenia dostępnej technologii, ale w przyszłości mogą być wykorzystane.

Niestety musimy się liczyć z ograniczeniami naszego blogowego formatu. Dobry przykład wynalazczego zastosowania Metody wymagałby kilku stron opisu całego procesu i wiele rysunków, co przekroczyłoby nasze ograniczenia, ale taki przykład można znaleźć w mojej książce „Inventive Engineering. Knowledge and Skills for Creative Engineers” (szczegóły poniżej). Dlatego tez chciałbym pokazać tutaj bardzo proste klasyfikacyjne zastosowanie AM (uproszczony przykład z mojej książki), które pokaże istotę opisu morfologicznego i zalety AM.

Przedmiotem naszego zainteresowania jest stężenie wiatrowe w budynku przemysłowym. W tym przypadku możemy dokonać podstawowej klasyfikacji używając jedynie trzy atrybuty symboliczne i ich kilka wartości, jak pokazano w poniższej tabeli.

Jeżeli znamy tabele morfologiczna dla danej klasy obiektów, możemy je formalnie porównywać, podobnie jak wykorzystujemy zastrzeżenia patentowe do porównywania wynalazków.

Język AM (atrybuty i ich wartości symboliczne) jest również językiem zastrzeżeń patentowych. Często, nie tylko w Polsce, firmy przemysłowe dokonują analizy patentów i ich zastrzeżeń w celu znalezienia brakujących atrybutów/zastrzeżeń („Luk patentowych”), które mogą zostać dodane w celu uszczegółowienia danego wynalazku i ominięcia patentu. Podobnie, często firmy starają się zabezpieczyć przyszłe produkty patentując koncepcje rozwiązań, które w danej chwili nie są jeszcze całkowicie realne ze względu na stan techniki, ale w niedalekiej przyszłości mogą zostać zrealizowane. Taka praktyka nazywa się „budowa płotów patentowych”.

Klasycznym źródłem wiedzy na temat AM jest książka opublikowana w języku angielskim przez Zwicky w roku 1969 pod tytułem „Discovery, Invention, Reaseach through the Morphological Approach” (MacMillan).

W roku 1977 w jeżyku polski została wydana książka „Zadanie, metoda, rozwiązanie. Techniki Twórczego Myślenia Zbiór 1” pod redakcja Andrzeja Góralskiego, która zawiera rozdział na temat AM, a którego współautorem jest Wasz blogista. Prawdopodobnie ta książka jest obecnie dostępna jedynie w bibliotekach i antykwariatach technicznych.

W zeszłym roku została opublikowana w języku angielskim moja książka „Inventive Engineering. Knowledge and Skills for Creative Engineers” (Taylor and Francis, 2016), która zawiera obszerny rozdział na temat Metody.

Prawdopodobnie najlepszym źródłem współczesnych materiałów na temat metody jest strona internetowa Szwedzkiego Towarzystwa Morfologicznego (http://www.swemorph.com/). Obecnie Wasz blogista pracuje z Prezesem tego towarzystwa nad przygotowaniem Specjalnego Wydania pisma Elsevier Journal of Technological Forecasting and Social Change, które będzie zawierało dobrze wyważoną kombinacje artykułów o charakterze wprowadzającym oraz zaawansowanych artykułów badawczych. To wydanie powinno być dostępne w lecie tego roku.

Mój dziadek Tomasz Arciszewski był idealistą i człowiekiem bardzo skromnym i niezainteresowanym gromadzeniem dóbr materialnych. Był również Premierem Polskiego Rządu na Uchodźstwie w Londynie w latach 1944-1947. W czasie wizyty w USA otrzymał w prezencie od Kongresu Polonii złoty szwajcarski zegarek kieszonkowy, który stał się właściwie jego jedynym cennym przedmiotem. Przed śmiercią przeznaczył ten zegarek dla mnie, jedynego wnuka i w latach 70-tych zegarek został przywieziony do W-wy przez koleżankę wracająca z Londynu. W roku 1984, gdy już mieszkałem w USA, zegarek został zarekwirowany przez służbę celną na lotnisku Okęcie w W-wie, gdy teściowa chciała mi go przywieźć. Później zegarek został sprzedany na zamkniętej aukcji w Urzędzie Celnym, a cala dokumentacja zniszczona.

Czy ktoś z czytelników pomoże mi odnaleźć i odkupić zegarek? Posiada on dla mnie ogromną wartość emocjonalną.