工業設計下人機智能交互中的應用范文

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摘要：隨著“智能”一詞在生活中被廣泛普及，智能化的大趨勢也在悄然改變著工業設計的方向，融合智能制造技術的人因工學的方法，在助力工業設計與設計評價中也越發成熟。在多學科交叉融合的背景下，工業設計在當前的信息化時代也要突破瓶頸，尋求創新。因而，以獲取人因數據為目的的人因工學，與當下智能化技術結合打造出的智能信息終端服務型學問的“智能人因工學”，將是未來工業設計的新方法之一。

關鍵詞：智能化、人因工學、工業設計、人與智能體交互

一、“智能”與設計

如今，人們對于智能產品可以說是喜聞樂見，我們的生活也被云端產業、物聯網技術，以及大數據網絡這些漸漸普及開來的智能化系統改變著。而在當下，以3D打印為代表的數字化智能制造技術指導并實現產品的開發升級，也早已普遍應用于工業設計領域。3D打印又稱“增材制造”技術，它是利用計算機三維軟件建造三維模型，通過數控成型系統將設計好的模型以逐層堆積的方式使其快速加工成型，從而制造出成品。3D打印技術的推廣，對于傳統的產品開模鑄造方式無異于是一場“革命”，其生產周期短、制造成本低廉、方便快捷的特點在設計產業內部得到了一致的好評：匈牙利的設計師奧勒•蓋勒特（OlléGellért）通過3D打印技術設計出了模塊化家具連接件“Printtobuild”（圖1）[1]，Gellért希望通過“從打印到建造”的理念，通過這些3D打印成型的連接件，使用戶將這些家具連接件當做積木一樣，享受拼接的樂趣。3D打印技術的普及，也是當今智能化制造技術與普及應用于多個行業的一個縮影，這其中也涵蓋工業設計。通常，受教育經歷的影響，產品設計師多數是文科出身，缺乏理工科思維中對當下尖端科學技術以及智能化環境的敏銳性，這也使設計師對智能化制造有關領域的技術趨之若鶩。以往的多次實踐無疑證明，諸如增材制造、激光切割等數字技術為設計師在產品設計與智能制造技術上搭建了溝通的“橋梁”。然而，設計也需要在務實的基礎上追求創新，步入工業4.0時代，設計不能僅停留在利用智能制造技術將產品生產成型的階段，而將智能化技術與人因工學相結合，完成產品終端系統打造的方法，無異于為工業設計提供了新的思路。同時，為“全智能”時代的智能設計、智能產品、智能制造等智能生態鏈的構建提供了不可或缺的一環。

二、人因工學與工業設計

結合工業設計的發展歷程，設計最終側重于功能還是形式千百年來眾說紛紜，以威廉•莫里斯為代表的守舊派將藝術視為無上至寶，對一切的機器大批量生產方式表示鄙夷和排斥。在后期，格羅皮烏斯強調藝術與科技的辯證作用，不再將二者抽離看待。他富有前瞻性地看到新一輪產業革命為設計帶來的活力，并倡導設計藝術與工業技術相結合。功能與形式的統一是設計的初衷，通過智能制造技術使產品得以實現相對應的功能，而藝術實踐恰好造就了其形式的塑造。互聯網的出現與發展，也使工業設計的理論和方法有了長足的拓展與革新。從產品制造的角度分析，工業設計的研究重點由最早對產品外觀造型的美化與包裝，逐漸過渡到對整個產品服務系統的打造。回想第一次產業革命對工業技術的過高崇拜，漸漸落實到人與機器、環境之間和諧共同體的人機系統智能設計，結合當下智能創新設計理念，越來越多的設計師選擇站在人本的立場考慮智能視角下的人機交互為設計帶來的福祉。作為一門年輕的學科，人因工學在近半個世紀中得到快速發展，且理念體系日趨完善。人因工學又稱人機工程學，在日本通常譯為“人間工學”，英文通常譯為“Ergonomics”。該詞細品之下另有情趣，它取自于兩個希臘單詞，其中“Ergo”作為前綴，指代工作與負荷；“nomics”可以理解為“規律”。從英文示意不難看出，人因工學研究的重點，是置身社會工作環境下的人。國際人機學協會（InternationalErgonomicsAssociation,IEA）對人機工學的定義如下：指人在某種環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；人與機器及環境的相互作用；人在工作、家庭生活中和休息是怎樣統一考慮工作效率、安全健康以及舒適性等問題。與此相類比，工業設計領域隨著人類科學的進步和世界經濟的高速發展，也經歷了數次概念認知革新，其理論與設計方法也有了長足的進步。從最初滿足生存繁衍適應自然的制造認知層面，逐步進化到滿足心理需求、管理與策略設計的服務認知層面，再到互聯網創新需求中的發展認知層面，最終定會過渡到為滿足環境需求而進行的可持續設計共生認知層面。而人因工學作為產品設計的支撐點，其研究不僅關乎人的行為與心理特性，目前更是將人機工學應用到工業設計產品評價中。其中更多的是采用心理學和生理學的計量檢測方法，典型的技術手段有虛擬現實場景實驗（圖2），以及事件相關電位（Event-relatedpotencials,ERPs）實驗（圖3）等。國內已有學者運用事件關聯電位實驗的手段，研究智能手機引發的用戶審美體驗及其背后的神經機制。實驗測得N100與N200成分為產品審美體驗提供了電生理學依據。在日本，有學者以背景腦波作為評價指標，研究白晝間單波長光曝露對人生理反應的影響，并推廣應用到汽車儀表盤的設計中。實驗通過對被試腦波等一些生理指標的測量，發現460納米波長的LED單色光對覺醒度有較高的維持作用。

三、工業設計中的智能人因

作為工業設計發展的一個重要方向與方法論，智能時代下的人因工學將從人的能力與行為特點出發，著眼于設計中“人”的要素。在效率至上的大環境中，我們也需要正確理解智能的相關概念。這些相關的概念大抵分為三類，即自動化、智能化與人工智能。在當下智能化產品設計的風潮中，如何將智能化在設計中正確地引導智能技術，使其更具有人性化，成為當下智能化與人因工學結合的思考點。筆者認為，未來在智能視域下的人因工學應用與工業設計結合，有兩個方面值得進一步探索：

1.人因工學的智能云端產品設計生產系統從智能手機到智能可穿戴設備，再到智能家居，各色智能產品為我們的生活帶來了諸多便利。智能化產品的暢銷與普及使得產品制造商往往會更多地考慮銷量，而忽視了產品后端的智能物聯系統。從人因工學的視角觀察，并不能因為產品通過銷售到用戶手中使用，從而判定該產品生產過程乃至生產鏈的終結。事實上，智能產品在與人交互的過程中，會產生許多值得后端深度挖掘的生理人因數據。以智能鞋墊為例，早期智能鞋墊設計通常以人體足部運動力學以及壓電效應原理為理論依據，設計出完整的足底壓力分布監測系統。（圖4）并將該系統應用到不同人群、不同運動姿態下的足底壓力信號進行采集，通過穿戴壓力測試鞋墊，揭示不同運動狀態下足底力學特點，從而對不同樣本的足底壓力分布差異進行簡單分析。而在2017年，樹屋公司針對當下人們對健康重視程度不斷提高的現狀，推出了Marco-X智能鞋墊。該款產品從人因舒適度的角度出發，結合了當下較為熱門的智能化技術，在以往傳統智能鞋墊采集提取人因數據的基礎功能上，Marco-X將用戶步態數據的提取與甄別作為重點，以步態數據管理為軸心，通過手機App對數據的實時監控傳輸與大數據分析，一方面可以通過實時檢測到的數據，對人身體其他部位有可能出現的問題做出及時反饋；另一方面，數據通過收集整理反饋給鞋墊制造商，可使其不斷調試與改進之后的鞋墊設計。如果說早期智能鞋墊是從設計的角度，以生產銷售作為核心，數據提取僅是這一核心價值下的衍生品，那么新一代智能鞋墊的出現，則從具有社會屬性的人的角度，將鞋墊制造與人因數據置于同一系統下，結合當下的人工智能與大數據分析，打造一個開放的智能設計制造生產鏈。這也從側面印證了當下以人因主導的工業設計方法的先進性。對于設計者而言，獲取人因數據后對其進行深入挖掘，并反復利用，從而打造以大數據為基礎的產品云平臺，或許能拓寬自己的設計思路。

2.讓智能不再“冰冷”——人與智能體交互人機工學中的“機”，并不是簡單地泛指所有的機器，而是作為設計服務主要對象的人類所使用的器具。伴隨著智能化的推進與產品的更迭，我們在使用智能產品的同時，往往會忽略產品本身的情感意義。從機器的視角而言，隨著自身智能性提高，機器對人的了解越深，人機關系變化發展也將逐漸呈現多元化趨勢。在不久的將來，機器也將不斷被投注以人的情感，甚至是心理需求。因而，人與智能體交互（Human-AgentInteraction,HAI）的概念便呼之欲出了。早期的智能體研究集中在信息提示領域，從對話系統中的聲音合成，到微表情識別研究，都是通過在系統中加入提示性的工作來促進交互。而諸如蘋果公司設計的Siri等一系列溝通智能體，旨在通過模仿人的方式體現智能性，從而提高人機交互效率。人與智能體交互是近些年在日本提出的新的研究領域，該領域主要以人與智能體之間的交互（相互作用）為研究對象。在人與智能體交互的研究過程中，不僅是像機器人技術或者圖像生成技術那樣，單一地觀察人的交互物的動作與行為，而是更多地將重點放在人在感知智能體自身所蘊含的智能性的認知過程，進而對人機系統交互進行綜合設計。我們可以列舉出很多人與智能體交互應用的代表性事例，例如日本石黑工作室與大阪大學于2010年合作研發的遠端臨場人形機器人TelenoidR1[2]（圖5），其設計意圖是讓老齡用戶感覺他們正在與遠方的熟人溝通，讓社會中那些子女無暇去陪伴的“空巢老人”有個伴兒，并能真實地感受到人的情感，以此減緩老齡群體的社會壓力與無助感。作為智能體的先驅代表，Telenoid包含9個執行器，允許其擁有9個自由度。它的每只眼睛可以彼此獨立地水平移動，但是自身的垂直運動是同步的。嘴巴能夠打開和關閉模仿說話。頸部的3個執行器為頸部提供偏航、俯仰和滾轉。最后兩個執行器用于手臂運動，以收到模仿人的表情和面部動作的效果。該款產品最大的特點是通過呼吸和眨眼這樣的微表情，向使用者傳達自身是“有生命的智能體”的理念，給智能又增加了些許溫暖。此外，東芝公司在2015年開發出一款人形機器人“JunkoChihira”。（圖6）[3]作為日本“機器人革命”計劃的代表產品。“JunkoChihira”通過語音合成技術使其掌握中、英、日三國語言，旨在進行各地旅游信息的推廣活動，目前該款機器人已掌握語音識別功能。東芝公司期望通過更多的細節完善，讓其在2020年東京奧運會和殘奧會上為更多游客提供服務。毫無疑問，智能化產品既是當下時代的產物，同時推動著當代科技不斷推進創新。然而生活節奏的加快，使用戶與智能產品的交互過程看上去多了幾分冷漠。智能體的出現，旨在使當下智能交互產品變得不再冰冷，讓其產生“溫度”。如何使智能體準確地將信息傳達給具有“社會性的人”，則需要借助設計的力量。人與智能體交互領域的研究，也為當下的人工智能，尤其與語音通信類應用帶來了新的研究視角。所以，人與智能體交互研究與人工智能的正向發展有著最直接的關系。與此同時，人因工學旨在探索人與產品交互時的認知心理，以及人機系統的綜合關系，甚至通過人體檢測傳感技術解析人體疲勞、精神壓力，以及生理恒常性在使用產品和所處環境狀態下的變化，最終為智能產品提供參數支持。這無疑為研究人與智能體交互提供了新的指導性方法論，即用人因工學的方法探索人在感知智能體設計中的“智能性”問題和實現方案。

結語

相對于極高精密度的自動化機器與設備而言，具備社會性的人仍是完成高難復雜任務的決定因素。可以洞見，未來的工業設計既需要以人因工學為主導的科研基礎研究作為支撐，同時隨著智能化設計場景的搭建與智能制造技術的不斷革新，越來越多搭載人因數據的智能云端產品系統也會逐漸地運用到產業中去。不可否認，在“智能化”一詞已經泛化的今天，我們既不能對智能產品與人因中的倫理風險視而不見，也不能漠視人因數據的提取和解析技術在智能化產品和智能設計中的重要作用。筆者認為，無論是工業設計，還是人工智能，其最終目的都是為了全人類謀福祉，提升人們生活的舒適度與生活質量。未來智能時代引領的工業設計，其研究重點也是基于神經心理學對人類認知情感與其背后的心理負荷的測定，通過設計的手段使智能體和人們生活行為、環境更加自然地融合，讓人們與智能體之間建立更多的信任而不是排斥，這樣有目的的交互就會更加自然而真切。隨著人工智能的發展，全新的工業設計將會重構人們身邊的工具，引發生產模式的改變，以及生產力的提升。將眼動、腦電與表面肌電等生理測析方法引入人因工程研究中，通過基礎研究引領工業設計，不斷創新迭代研究方法。如果說，工業設計賦予了產品形式上的美感與美學的完整性，那么人工智能則給產品增添更多的智能性與想象力，兩者互為依賴。因而，將人因工程視作智能時代工業設計的思考重點，并致力于從人因體驗角度，研發謀求人類福祉的新技術與工具，以及更多智能與安全兼顧，“智商”與“情商”兼具的產品，也是未來工業設計發展的重要趨勢。