4.2 发明的5个级别
在人类进化发展的历史长河中，无数的先贤们创造性地推动了人类社会的发展。今天，当回顾历史的时候，人们往往只注意那些给人类社会发展带来巨大影响的发明创造，例如，制陶技术为人类提供了最早的人造容器；冶炼技术为人类提供了最早的金属制品——青铜器；十进位计数法为科学的发展奠定了基础；造纸术对人类文化传播产生了广泛、久远的影响；指南针对航海产生了深远的影响；火药改变了整个世界事物的面貌和状态等。但很少有人会注意那些对已有事物进行的修修补补式的小发明、小创造。而正是由于有了这些小发明、小创造，才有了人们现在所看到的各种各样功能相对完善、结构相对简单的生产工具和生活用品。所以，伟大的发明给社会的发展提供了巨大的推动力，但是那些看似小得多的发明创造却是伟大发明的基础，只有在无数小发明、小创造的推动下，伟大的发明才得以出现，并逐步趋于完善。
4.2.1 发明的创新水平
在阿奇舒勒开始对大量专利进行分析与研究之初，他就遇到了一个无法回避的问题：如何评价一个专利的创新水平？
大家都知道，一项技术成果之所以能通过专利审查，获得专利证书，必定有其独到之处。但是，在众多的专利当中，有的专利只是在现有技术系统的基础上进行了很小的改变，改善了现有技术系统的某个性能指标；而有的专利则是提出了一种以前根本不存在的技术系统。显然。这两种专利在创新水平上是有差别的，但是如何制定一个相对客观的标准来评价它们在创新水平上的差异呢？
从法律的角度来看，专利的定义会随着时间的变化而改变。即使在同一历史时期，不同国家对专利的定义也有所差异。专利的作用就是准确地确定一个边界，只有在这个范围之内，用法律的形式对技术领域的创新进行经济利益的保护才是有意义的。但是，从技术的角度来看，判断一个产品或一项技术是否具有创新性，其创新的程度有多高，更重要的是要识别出该产品或技术的创新的核心是什么，这个本质从来没有变过。
从技术角度来说，一项创新通常表明完全或部分地克服了一个技术矛盾。克服技术系统中存在的矛盾，一直是创新的主要特征之一。
弗·恩格斯在《步枪史》 一文中详细介绍了步枪的进化历史，并介绍了步枪进化过程中所克服的种种技术矛盾。其中最主要的技术矛盾之一就是“灵便而迅速地装弹”与“射程和射击精度”之间的矛盾，如下所述。
我们到目前为止所谈的步枪都是前装枪（见图4-6）。然而，在很早以前就有了许多种后装火器。后装火炮比前装火炮出现得早。在最古老的军械库中有二三百年前的带活动尾部的长枪和手枪，它们的装药从枪尾部填放，而不用探条从枪口装填。一个很大的困难是怎样联结活动的枪尾部和枪管，使它既便于开关，又联结得很牢固，能承受火药爆炸的压力。在当时技术不够发达的情况下，这两个要求不可能兼顾—或者是联结枪尾部和枪管的装置不够坚固耐用，或者是开关的过程非常慢—这是毫不奇怪的。于是后装武器被弃置不用（因为前装的动作要迅速得多），探条占着统治地位，这也是毫不奇怪的。到了现代，军人和军械师都想设计出一种火器，它既能像旧式火枪那样灵便而迅速地装弹，又具有步枪那样的射程和射击精度；这时后装方法自然又受到了重视。只要枪尾部有合适的联结装置，一切困难都能克服了。
图4-6 1814年，美国M1841密西西比步枪（前装枪）
从以上的论述中可以看出，对于前装枪来说，要想灵便而迅速地装弹，就需要缩短枪管的长度。但是，射程和射击精度是与枪管长度密切相关的，缩短枪管的长度将会降低射程和射击精度。于是“灵便而迅速地装弹”与“射程和射击精度”之间就构成了一对技术矛盾。而采用后装方法就可以很好地解决这个矛盾，在实现不缩短枪管长度的前提下，实现了“灵便而迅速地装弹”。
4.2.2 发明级别的划分
发明的独特之处就在于解决矛盾，解决现有技术系统中存在的问题。但是在通过专利局审核并颁发了专利证书的专利当中，也有大量简单的、毫无意义的、类似于常规设计的专利。如何从多如牛毛的专利中将那些具有分析价值的专利找出来呢？阿奇舒勒在研究中提出了一种评价专利创新性的标准。按照创新性的不同，阿奇舒勒将专利分为5个级别，如表4-1所示。
表4-1 发明的5个级别
1.第一级发明
这种发明是指在本领域范围内的正常设计，或仅对已有系统做简单改进与仿制所做的发明。这一类问题的解决主要依靠设计人员自身掌握的常识和一般经验就可以完成，是级别最低的发明，即不是发明的发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10次以下的尝试。
例如，增加隔热材料，以减少建筑物的热量损失；将单层玻璃改为双层玻璃，增加窗户的保温和隔音效果；用大型拖车代替普通卡车，以实现运输成本的降低。
该类发明大约占人类发明总数的32％。
2.第二级发明
这种发明是指在解决一个技术问题时，对现有系统的某一个组件进行改进，是解决了技术矛盾的发明。这一类问题的解决主要采用本专业内已有的理论、知识和经验，设计人员需要具备所在行业中不同专业的系统知识。解决这类问题的传统方法是折中法。这种发明能小幅度地提高现有技术系统的性能，属于小发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10～100次尝试。
例如，在气焊枪上增加一个防回火装置；把自行车设计成可折叠（见图4-7）等。
图4-7 折叠自行车
该类发明大约占人类发明总数的45％。
3.第三级发明
这种发明是指对已有系统的若干个组件进行改进。这一类问题的解决需要运用本专业以外但是一个学科以内的现有方法和知识（如用机械方法解决机械问题，用化学知识解决化学问题）。在发明过程中，人们必须解决系统中存在的技术矛盾。设计人员需要来自于其他行业的知识。
这种发明是解决了物理矛盾的发明。如果系统中的一个组件彻底改变，就是很好的发明（如改变某物质状态，由固态变成液态等）。可以用一些组合的物理效应（可能是不为人们所熟知的）来解决这类问题，在解决问题的过程中也可以巧妙地利用一些人们熟知的物理效应。
例如，利用电动控制系统代替机械控制系统；汽车上用自动换挡系统代替机械换挡系统；在冰箱中用单片机控制温度等。
这种发明能从根本上提升现有技术系统的性能，属于中级发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行100～1000次尝试。
该类发明大约占人类发明总数的18％。
4.第四级发明
这种发明一般是在保持原有功能不变的前提下，用组合的方法构建新的技术系统，属于大发明，通常是采用全新的原理来实现系统的主要功能，属于突破性的解决方案，能够全面升级现有的技术系统。利用试错法解决这样的问题通常需要进行1000～10000次尝试。
由于新的系统不包含技术矛盾，所以给人的错觉是新技术系统在发明过程中并没有克服技术矛盾。实际上并非如此，因为在原有的技术系统——系统原型中是有技术矛盾的，这些矛盾通常是用其他科学领域中的方法来消除的，设计人员需要来自于不同科学领域的知识。需要多学科知识的交叉，主要是从科学底层的角度而不是从工程技术的角度出发，充分挖掘和利用科学知识、科学原理，以实现发明。
在解决第四级发明问题时所找到的原理，通常可以用来解决属于第二级发明和第三级发明的问题。
例如，内燃机代替蒸汽机，核磁共振技术代替B超和X光技术，以及世界上第一台内燃机的出现、集成电路的发明和充气轮胎等。
该类发明在所有发明中所占比例小于4％。
5.第五级发明
这种发明催生了全新的技术系统，推动了全球的科技进步，属于重大发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10万次以上的尝试。
对于这类发明来说，首先是要发现问题，然后再探索新的科学原理来解决发明任务。问题的解决方法往往不在人们已知的科学范围内，是通过发现新的科学现象或新物质来建立全新的技术系统。本级发明中的低端发明为现代科学中许多物理问题的解决带来了希望。
支撑这种发明的新知识为开发新技术提供了保证，使人们可以用更好的方法来解决现有的矛盾，使技术系统向最终理想解迈进了一大步。
设计人员通常没有能力解决这类问题。
这一类问题的解决主要是依据人们对自然规律或科学原理的新发现。例如，计算机（见图4-8）、蒸汽机、激光和晶体管等的首次发明；又如轮子、半导体、形状记忆合金、X光透视技术、微波炉、蒸汽机和飞机等。
该类发明大约占人类发明总数的1％或者更少。
图4-8 世界上第一台电子计算机ENIAC
4.2.3 发明级别划分的意义
在发明的5个级别中，第一级发明其实谈不上创新，它只是对现有系统的改善，并没有解决技术系统中的任何矛盾；第二级和第三级发明解决了矛盾，可以看作是创新；第四级发明也改善了一个技术系统，但并不是解决现有的技术问题，而是用某种新技术代替原有技术来解决问题；第五级发明是利用科学领域发现的新原理和新现象来推动现有技术系统达到一个更高的水平。
阿奇舒勒认为，第一级发明过于简单，不具有参考价值；第五级发明对于工程技术人员来说又过于困难，也不具有参考价值。于是，他从海量专利中将属于第二级、第三级和第四级的专利挑选出来，进行整理、研究、分析、归纳和提炼，最终发现了蕴藏在这些专利背后的规律。
从来源上来看，TRIZ是在分析第二级、第三级和第四级发明专利的基础上，归纳、总结出来的规律。因此，利用TRIZ只能帮助工程技术人员解决第一级到第四级的发明问题。而无法利用TRIZ来解决第五级的发明问题。阿奇舒勒曾明确表示：利用TRIZ方法可以帮助发明家将其发明水平从第一级和第二级提高到第三级和第四级水平。
阿奇舒勒认为：如果问题中没有包含技术矛盾，那么这个问题就不是发明问题，或者说不是TRIZ问题。这就是判定一个问题是不是发明问题的标准。需要注意的是，第四级发明是利用以前在本领域中没有使用过的原理来实现原有技术系统的主要功能，属于突破性的解决方法。
“发明级别”对发明的水平、获得发明所需要的知识，以及发明创造的难易程度等有了一个量化的概念。总体上说，对“发明级别”有以下几方面的认识。
（1）发明的级别越高，完成该发明时所需的知识和资源就越多，这些知识和资源所涉及的领域就越宽，搜索所用知识和资源的时间就越多，因此就要投入更多、更大的研发力量。
（2）随着社会的发展、人类的进步、科技水平的提高，已有“发明级别”也会随时间的变化而不断降低。因此，原来级别较高的发明，逐渐变成人们熟悉和容易掌握的东西。而新的社会需求又不断促使人们去做更多的发明，生成更多的专利。
（3）对于某种核心技术，人们按照一定的方法论对该核心技术的所有专利按照年份、发明级别和数量做出分析以后，可以描绘出该核心技术的“S曲线”。S曲线对于产品研发和技术的预测有着重要的指导意义。
（4）统计表明，第一、二、三级发明占了人类发明总量的95%，这些发明仅仅是利用了人类已有的、跨专业的知识体系。由此，也可以得出一个推论，即人们所面临的95％的问题都可以利用已有的某学科内的知识体系来解决。
（5）第四、五级发明只占人类发明总量的约5%，却利用了整个社会的、跨学科领域的新知识。因此，跨学科领域的知识获取是非常有意义的工作。当人们遇到技术难题时，不仅要在本专业内寻找答案，也应当向专业外拓展，寻找其他行业和学科领域已有的、更为理想的解决方案，以求获得事半功倍的效果。人们从事创新，尤其是进行重大发明时，就要充分挖掘和利用专业外的资源，正所谓“创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域”。
TRIZ源于专利，服务于生成专利（应用TRIZ 产生的发明结果多数可以申请专利）, TRIZ与专利有着密不可分的渊源。充分领会和认识专利的发明级别，可以让人们更好地学习和领悟TRIZ的知识体系。