基于TRIZ理論的一種減力緩沖替換式牙刷

閆一梵　余浩　陳進松　張世杰　陳樸　何星雨　陳紅

摘要：刷牙是人們日常生活中保持口腔衛(wèi)生最主要的手段，因口腔健康衛(wèi)生認知不足，人們常誤認為加重刷牙時的用力可以提高清潔牙齒的效果。殊不知刷牙時用力越大，對牙齒硬組織的損傷也會越嚴重。目前市場上的大多數牙刷不具備調節(jié)刷牙力度和自我清潔的能力。鑒于此，我們利用TRIZ理論提出了減力緩沖替換式牙刷。將刷頭和刷柄分開，在兩者之間增加減力緩沖裝置，減少了對口腔軟硬組織的損傷，也減少了更換牙刷時的材料浪費。同時在刷毛中添加抗菌劑，使牙刷具備一定的抗菌清潔能力。

關鍵詞：TRIZ理論;牙刷;緩沖;硬組織損傷

一、問題的提出

刷牙是人們日常生活中保持口腔衛(wèi)生最主要的手段。牙刷的作用是通過摩擦去除附著在牙齒及修復體表面的菌斑和微生物。生活中，人們常誤認為加大刷牙時的力度可以提高牙齒的清潔效率，卻不知用力過大會造成牙齒硬組織的損傷，引發(fā)牙體楔狀缺損和牙齦軟組織萎縮等口腔組織疾病。而人群在口腔衛(wèi)生保健宣傳引導不足的情況下，很難判斷自己刷牙的力度是否合適。同時，牙刷使用后，刷毛上會黏附菌斑和微生物，如果不能及時清潔，菌斑和微生物會在刷毛表面大量繁殖并引起異味，對保持口腔健康十分不利。使用一段時間后，普通牙刷的刷毛因為力學性能改變發(fā)生傾倒、飛邊等情況，造成清潔牙齒效果下降、損傷牙齦組織等問題。解決這個問題的辦法就是及時更換新的牙刷，但頻繁更換牙刷又會造成材料的浪費。

為解決普通牙刷存在的以上問題，筆者希望設計一種減力緩沖替換式的牙刷，且牙刷必須包含以下幾種功能或優(yōu)點：（1）可以將刷牙的力量控制在一定范圍內;（2）可以減少因更換牙刷而產生的浪費;（3）具備一定的自我清潔或抗菌能力;（4）結構簡單，使用壽命長。

二、基于TRIZ原理的問題分析

利用TRIZ理論分析問題的流程：在經典TRIZ理論中，需要將實際問題轉化為問題的模型，然后利用TRIZ中解決問題的工具找到解決方案的模型，最后將解決方案的模型轉化為具體的解決方案。TRIZ問題的模型包括技術矛盾、物理矛盾、物場模型以及功能化模型（How to）等。技術矛盾是指技術系統(tǒng)中兩個參數之間存在相互制約[1]。物場模型是指最簡單的完整工程系統(tǒng)，必須具備三個要素：兩個物質和一個場。兩個物質之間還必須有某種作用。物理矛盾是指同一個參數具有相反且合乎情理的需求。而現代TRIZ理論中引入了對問題模型的分析工具，如功能分析、因果鏈分析等。功能分析是一種識別系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件的功能、特點及其成本的分析工具。因果鏈分析是一種識別分析工程系統(tǒng)的關鍵缺點的分析工具。

（一）功能分析

對實際問題進行功能分析，確定工程系統(tǒng)為牙刷。

（二）因果鏈分析

確定初始缺點后逐層尋找直接缺點，找到關鍵缺點11、關鍵缺點：1.1.1.1和關鍵缺點1.1.1.4，分別轉化為關鍵問題1：如果控制刷牙的力度;關鍵問題2：如何不讓牙菌斑黏附刷毛;關鍵問題3：如何減少更換牙刷的浪費。并利用TRIZ分析工具對其進一步分析，尋找解決方案。

（三）技術矛盾

關鍵問題1：如果控制刷牙的力度

針對過大的刷牙力量造成口腔軟硬組織損傷的問題，一方面可以提高人群的口腔衛(wèi)生保健宣教力度，倡導健康的刷牙方法;另一方面，我們考慮設計一種可以調節(jié)力度的牙刷。

首先，我們運用TRIZ問題模型對這個關鍵問題進行分析。技術矛盾1：如果減小刷牙時的力度，那么會減少對牙齒軟硬組織的損傷，但是會減低牙菌斑的清潔效率。為了驗證我們描述的是否正確，我們采用技術矛盾2來再次描述：如果增大刷牙時的力度，那么會增加對牙齒軟硬組織的損傷，但是會提高清潔牙菌斑的效率。技術矛盾1中，改善的參數為“對牙齒硬組織的損傷”，惡化的參數為“牙菌斑的清潔效率”，分別與技術矛盾2中的惡化參數和改善參數相對應，從而驗證了我們描述的正確性。然后，將“對牙齒硬組織的損傷”和“牙菌斑的清潔效率”兩個參數轉化為39個通用工程參數，分別對應“物體產生的有害因素”和“效率”。通過矛盾矩陣找到發(fā)明原理5（組合）、發(fā)明原理19（周期性作用）、發(fā)明原理24（中介物）和發(fā)明原理28（機械系統(tǒng)替代）。

我們根據發(fā)明原理28（機械系統(tǒng)替代）C：“用運動場代替靜止場”的指引，在刷毛與刷頭之間設計減力緩沖裝置，同時添加U型緩沖墊。刷牙時，力量由刷柄傳遞至刷頭，經過減力緩沖裝置時，緩沖掉部分力度，從而將刷柄傳導過來過大的力控制在一個正常區(qū)間范圍值內，再傳遞給刷頭。保證刷毛施加給口腔軟硬組織的力度適當，減少傷害。從而解決了功率與靜止物體的體積之間的矛盾。

（四）物場模型

關鍵問題2：如何不讓牙菌斑黏附刷毛

牙刷使用后需要良好的自身清潔，否則會因附著在刷毛上的菌斑微生物大量繁殖而產生異味。針對此關鍵問題，我們將其轉化為“物場模型”進行分析。S1為刷毛，S2為牙菌斑，F為機械場。S2對S1產生粘附作用，屬于是“有害作用”[4]，確認模型符合“有問題的物場模型”。根據“物場模型”第一類標準解：拆解物場模型。嘗試在系統(tǒng)中增加一個S3或F2來解決此問題。最終，我們在系統(tǒng)中添加一個F2：化學場，即在刷毛中添加銀系無機抗菌劑[2]。在牙菌斑對刷毛產生黏附時，可以起到抑制菌斑微生物在刷毛表面繁殖、矯正味道、保持清潔的作用。

（五）物理矛盾

關鍵問題3：如何減少更換牙刷的浪費

牙刷使用1至3個月后需要更換，如果全部更換會造成經濟和資源上的浪費。我們通過“物理矛盾”對此關鍵問題分析：“牙刷需要及時更換，因為可以保持口腔衛(wèi)生健康;但是，牙刷不需要及時更換，因為可以減少材料浪費。”根據解決物理矛盾的方法：（1）分離矛盾需求，我們嘗試進行“基于空間的分離”，發(fā)現需要及時更換的是刷毛部分，而刷柄部分不需要及時更換。因此，確定此關鍵問題可以使用“空間分離”的辦法來解決。我們采用發(fā)明原理1（分割），將易粘附菌斑微生物的刷頭與不易黏附菌斑微生物的刷柄分開，更換牙刷時僅需更換刷頭即可，從而解決了更換牙刷與資源浪費之間的矛盾。

（六）技術方案及評價

減力緩沖裝置+抑菌清潔功能+刷頭刷柄分體式結構。簡易減力緩沖裝置中的組件包括：減力彈簧、緩沖彈片、定位凹槽等[3]。刷柄連接刷頭的一端中部開設有截面呈倒T型的空腔，空腔由徑向腔以及連通徑向腔和外界的軸向腔構成;減力彈簧的一端軸向固定于徑向腔內底壁中部，減力彈簧的另一端沿軸向腔伸出空腔;刷頭連接刷柄的一端中部開設有定位凹槽，減力彈簧伸出空腔的一端可拆卸地連接與定位凹槽內的底壁;緩沖彈片設置有兩片，并呈八字形對稱設置，兩片緩沖彈片的收口端分別固定于定位凹槽對應刷頭的刷毛面和刷背面的兩側內壁，闊口端沿軸向腔軸向伸入徑向腔內。通過以上各組件之間的相互作用，不僅能在刷牙時起到減力緩沖作用，還能增加刷頭與刷柄的穩(wěn)定性。

最終確定方案：如圖所示。利用TRIZ原理將刷頭與刷柄設計成分體式結構，在兩者之間設計一個簡易減力緩沖裝置，并添加U型緩沖墊。當患者用力過大時，會緩沖裝置抵消掉一部分，進而輔助患者養(yǎng)成良好的刷牙習慣。在刷毛的原料中添加抗菌劑的同時，還可以適當添加各種口味的矯味劑，以滿足客戶需求的多樣性。外包裝采用鋁制盒具，方便日常高溫消毒和攜帶。

三、結語

運用TRIZ理論，在設計過程中打破了固有的思維定式，有效地降低了研發(fā)的時間、人力成本。通過功能分析對系統(tǒng)組件進行相互作用評價及分析，通過“因果鏈”尋找關鍵問題。運用“技術矛盾”“物理矛盾”等方法分析關鍵問題，對應矛盾矩陣的“40個發(fā)明原理”拓展解決問題的思路。

新系統(tǒng)應用簡易減力緩沖裝置各個組件之間的相互作用，可以緩沖掉刷牙中過大的力量，不但解決了刷牙中對口腔軟硬組織損傷的問題，提高了牙刷的健康衛(wèi)生，還減少了材料的浪費。

參考文獻：

[1]張永慧，付海榮，方浩，等.基于TRIZ理論的一種便攜式多功能醫(yī)用點滴架[J].絲路視野，2018，（15）：110.

[2]宋鈺，趙新軍.基于TRIZ理論的牙刷發(fā)展分析[J].科技創(chuàng)新與品牌，2018，（1）：7073.

[3]陳進松.一種替換式刷頭減力緩沖牙刷：CN20201095 3676.8[P].20201204.

[4]孫永偉.TRIZ——打開創(chuàng)新之門的金鑰匙（八）[J].家電科技，2013（11）：2425.

基金項目：全國高等教育教學改革研究課題項目（項目編號：2018HER01109）;重慶市高等職業(yè)技術教育研究會高等教育科學研究課題項目（項目編號：GY201063）

*通訊作者：閆一梵（1990—），女，漢族，口腔醫(yī)學碩士，MATRIZ國際二級認證專家，一級創(chuàng)新咨詢師，研究方向：牙周黏膜病及義齒修復。