运用变维原理的创新发明作者：劳永新来源：《发明与创新(综合版)》2006年第05期 变维是阿尔特舒勒尔创立的“发明问题解决理论”(TRIZ)中的40个发明原理之一，是从150万件世界专利发明中归纳得出来的。它虽然是第17条发明原理，却是创新性极强、应用非常广泛的一条发明思路。在常观世界中，几何空间中的点是零维；直线是一维，可以用一个坐标描述；曲线的维数介于1和2之间；平面是二维，可以用两个坐标描述；曲面的维数介于2和3之间；立体的实物是三维的，其位置和大小要用空间三个坐标来描述。而时间是一维的，它和三维空间一起构成四维时空。变维就是用改变维度来发明和创新。 自然界中就有许多变维的现象，人们仿照而进行了发明。例如晴天的阳光或夜晚的月光照在三维物体上，在地面或墙上会产生二维的影子；人们在机械制图中就利用零部件在三个互相垂直的平面上的投影，发明了三视图，用三个二维视图来描述一个三维的零部件的形状、结构和大小。北方冬天时，室内的水汽会凝结在温度相对低的玻璃窗面上，形成水膜，甚至结冰霜；室外温度一旦升高，水膜等又会蒸发。人们在金属镀膜时发明了真空气相沉积法，要镀上
去的材料先在真空中蒸发，然后在衬底上沉积，形成薄层的镀膜。自然界中水中的冰晶或碳酸盐晶体总是从接近于零维的品胚开始，先形成晶核，再在晶核上生长，最后形成三维晶体的。人工晶体的培育也遵循晶体的生长规律，常常用加入晶核来加快晶体的成长。
由于任何物质实体的存在和运动，任何能量的传递和转化以及信息的传播都离不开空间，无论从古到今的人们的衣食住行、医疗和娱乐等的生活各方面以及机械、化工、冶金、石油、电子、材料、轻工等等各个工业领域都有各个维数间变化的变维发明。
早在四千年前，我国就出现利用苎麻通过手工纺纱和织布，汉代又开始用棉花纺纱织布，南宋时我国的黄道婆发明了木制的人工织布机，慢慢开始形成纺织作坊，后来才有纺织工业。很早人们就用石磨把小麦磨成面粉，把和好的面团手工擀成片，再切成细面条，后来才有了压面条机及有关的加工机械，成为食品工业的一部分。用稻草建起茅草房是一些古人定居的开始，近代工业化后才有了大规模的建筑工业。古人就会架木桥跨越小河，开创了立体交通，现代的公路立交桥，加上地铁和隧道，构成了立体三维交通系统。1900年前中国发明了造纸，是古代中国四大发明之一，手工造纸时先把木材或竹子破碎分解制成纸浆，再手工抄纸，在水中荡料，使纸纤维沉积附在帘网上成湿纸，最后干燥为纸张。现代的造纸也经制浆、抄纸两大主要步骤，出现了造纸工业。
变维发明中最多的是二：维变三维的发明，就是运用了立体思维。例如为了达到立体视觉效果的立体画、立体眼镜、立体显微镜、立体望远镜、立体印刷、立体电影和立体电视；三维动画、三维地图、三维游戏、三维网页、三维印花和三维复印以及三维可视化仿真技术等等。三维扫描系统用于对物体进行三维形状测量，可用于产品的计算机辅助制造设计、服装试衣系统等。将平面集成的芯片叠成多层的三维集成电路、三维多芯片组件和三维集成光路，大大提高了组装密度，分别用于大容量三维存储器、高速信号处理器和通信等领域。又如用于采集三维图像信息的三维传感器，三维鼠标就是一种超声波式三维空间位置传感器，传播空间位置和方向的六个自由度的信息，用于三维场景漫游。三维地理信息系统(GIS)和三维地球定位系统可显示三维立体坐标数据和用于定位。再如三维过滤器具有三维微孔道结构，微孔的孔径沿滤液流动方向呈梯度分布，它集表层过滤和深层过滤于一体，可截留滤液中的不同粒径分布的悬浮物，等于取代了多个表层过滤器。用于电化学反应器中的三维电极是在阴极和阳极间填充均匀混合的导电颗粒和绝缘颗粒，在工作时每个导电颗粒的一端发生阴极反应，另一端发生阳极反应，其电极面积是平面电极的几十到上百倍，使电化学反应速度大大加快，反应效率提高。三维卷曲中空化学纤维的蓬松度大，恢复弹性速度快，制成的被子、枕头、睡袋、靠垫等保暖性好。还有立体交通、立体农业、立体林业、立体养殖等等。 变二维为三维的逆反过程就是变三维为二维，其发明如用照相机可以把三维的立体景物转换为二维的平面照片，还有平面换热器、平面变压器、平面天线、平面扬声器、平面光源等等。
变维原理的创新性极强，许多重大的原始创新发明源于变维的思想。20世纪50年代末美国工程师基尔比提出了用平面工艺制造锗晶体管的发明方案，诺伊斯进一步用于硅片集成电路，把有关元件集成于一片二维的硅芯片上。与三维的分立元件相比，集成电路的体积和重量大大减少，大大降低了材料消耗和制造成本，开创了微电子技术时代。如今以集成电路为基础的微电子技术在计算机、自动化、通讯、广播以及家用电器等各个领域迅速得到了普及。随后这一“变三维为：二维”的思路又扩展用于集成光路、微电子机械系统、微生化分析系统、微化工系统等集成系统中，推动了各种微型化系统的发展。因此基尔比和诺伊斯两人荣获2000年诺贝尔物理学奖是当之无愧的。
在一些重大发明中还可以多次改变维度。普通的X射线透视诊断摄影所得图像是相互重叠的，而X射线计算机断层扫描(cT)摄影技术是先逐层地对人体的各截面进行X光拍摄，将三维的人体离散化为各截面的二：维影像，再利用计算机的数字图像重建技术获得三维立体影
像，其影像不重叠，且清晰精细，后来又出现了四维CT，实现了对病灶的立体的动态观察。CT开创了医学影像诊断技术的新思路，计算机断层扫描技术随后迅速推广应用到了放射性核素CT、微波CT、核磁共振CT、超声波CT等医学成像诊断技术以及工业CT中，提出CT计算方法的美国物理学家科马克和1973年制造出第一台三维CT的英国电子工程师豪斯菲尔德共获1979年诺贝尔生理学和医学奖。
传统的机械制造成形方法，不论是车铣刨磨等切削成形的机械冷加工还是锻压、铸造等受迫成形的热加工，对三维毛坯加工时都要产生废料，而且加工周期长，无法制造出具有异型深孔和复杂曲面的零件。1986年美国德克萨斯大学研究生Deckaed提出的激光粉末选区烧结成形法(SLS)，以金属、塑料等粉末为原料，用计算机控制激光逐点逐层地加热烧结或加热熔化后凝固，制成三维立体零件。还有液态光敏树脂用激光照射逐点逐层地固化的激光立体印刷成形法(SLA)及熔化金属、塑料或石蜡的逐点逐层凝固的熔丝沉积成形法(FDM)，以及逐点逐层喷水冰冻成形以制造模具等的快速成形制造方法，都是先用CAD软件将三维零件的数据离散为各层的二维数据，再从零维到一维、二维和三维地制造出三维产品来。快速成形制造(RPM)方法除了以激光为能源外，正在研究用超声波和电子束等其他能源的方法。可实现无废料快速精确制造的快速成形方法，有望使制造业出现大改观。 运用广义的变维概念还可以把变维创新扩展到非几何、非物质的空间中去。例如目前用来表达商品、出版物和证件等信息的一维条形码的信息密度低，把它的信息空间扩展到利用垂直方向的二维条形码和三维条形码，则信息容量大，保密性强，还可用于货运、身份证识别等方面。在分析复杂的化学混合物的气相谱中，用一根谱分离柱时，其一次可分离的谱峰的数量(称峰容量)有限，易产生峰重叠而分不清，1999年美国Zoex公司推出的全二维气相谱仪，将两支固定液极性不同的谱柱串联，大大提高了峰容量。随后又出现了二维液相谱、二维相关光谱、二维电泳分离和二维核磁共振波谱及“多维分析”等仪器分析技术，都是采用分离机理不同或两种或多种分离技术的联合来提高分离效果，其实质是在分离方法空间的变维。21世纪的战场已从陆海空扩展到航天领域，而且从战略空间上综合运用了电子战、心理战等信息战作战方式，已成为多维的立体的战争。
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