工业设计下人机智能交互中的应用范文

摘要：随着“智能”一词在生活中被广泛普及，智能化的大趋势也在悄然改变着工业设计的方向，融合智能制造技术的人因工学的方法，在助力工业设计与设计评价中也越发成熟。在多学科交叉融合的背景下，工业设计在当前的信息化时代也要突破瓶颈，寻求创新。因而，以获取人因数据为目的的人因工学，与当下智能化技术结合打造出的智能信息终端服务型学问的“智能人因工学”，将是未来工业设计的新方法之一。

关键词：智能化、人因工学、工业设计、人与智能体交互

一、“智能”与设计

如今，人们对于智能产品可以说是喜闻乐见，我们的生活也被云端产业、物联网技术，以及大数据网络这些渐渐普及开来的智能化系统改变着。而在当下，以3D打印为代表的数字化智能制造技术指导并实现产品的开发升级，也早已普遍应用于工业设计领域。3D打印又称“增材制造”技术，它是利用计算机三维软件建造三维模型，通过数控成型系统将设计好的模型以逐层堆积的方式使其快速加工成型，从而制造出成品。3D打印技术的推广，对于传统的产品开模铸造方式无异于是一场“革命”，其生产周期短、制造成本低廉、方便快捷的特点在设计产业内部得到了一致的好评：匈牙利的设计师奥勒•盖勒特（OlléGellért）通过3D打印技术设计出了模块化家具连接件“Printtobuild”（图1）[1]，Gellért希望通过“从打印到建造”的理念，通过这些3D打印成型的连接件，使用户将这些家具连接件当做积木一样，享受拼接的乐趣。3D打印技术的普及，也是当今智能化制造技术与普及应用于多个行业的一个缩影，这其中也涵盖工业设计。通常，受教育经历的影响，产品设计师多数是文科出身，缺乏理工科思维中对当下尖端科学技术以及智能化环境的敏锐性，这也使设计师对智能化制造有关领域的技术趋之若鹜。以往的多次实践无疑证明，诸如增材制造、激光切割等数字技术为设计师在产品设计与智能制造技术上搭建了沟通的“桥梁”。然而，设计也需要在务实的基础上追求创新，步入工业4.0时代，设计不能仅停留在利用智能制造技术将产品生产成型的阶段，而将智能化技术与人因工学相结合，完成产品终端系统打造的方法，无异于为工业设计提供了新的思路。同时，为“全智能”时代的智能设计、智能产品、智能制造等智能生态链的构建提供了不可或缺的一环。

二、人因工学与工业设计

结合工业设计的发展历程，设计最终侧重于功能还是形式千百年来众说纷纭，以威廉•莫里斯为代表的守旧派将艺术视为无上至宝，对一切的机器大批量生产方式表示鄙夷和排斥。在后期，格罗皮乌斯强调艺术与科技的辩证作用，不再将二者抽离看待。他富有前瞻性地看到新一轮产业革命为设计带来的活力，并倡导设计艺术与工业技术相结合。功能与形式的统一是设计的初衷，通过智能制造技术使产品得以实现相对应的功能，而艺术实践恰好造就了其形式的塑造。互联网的出现与发展，也使工业设计的理论和方法有了长足的拓展与革新。从产品制造的角度分析，工业设计的研究重点由最早对产品外观造型的美化与包装，逐渐过渡到对整个产品服务系统的打造。回想第一次产业革命对工业技术的过高崇拜，渐渐落实到人与机器、环境之间和谐共同体的人机系统智能设计，结合当下智能创新设计理念，越来越多的设计师选择站在人本的立场考虑智能视角下的人机交互为设计带来的福祉。作为一门年轻的学科，人因工学在近半个世纪中得到快速发展，且理念体系日趋完善。人因工学又称人机工程学，在日本通常译为“人间工学”，英文通常译为“Ergonomics”。该词细品之下另有情趣，它取自于两个希腊单词，其中“Ergo”作为前缀，指代工作与负荷；“nomics”可以理解为“规律”。从英文示意不难看出，人因工学研究的重点，是置身社会工作环境下的人。国际人机学协会（InternationalErgonomicsAssociation,IEA）对人机工学的定义如下：指人在某种环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；人与机器及环境的相互作用；人在工作、家庭生活中和休息是怎样统一考虑工作效率、安全健康以及舒适性等问题。与此相类比，工业设计领域随着人类科学的进步和世界经济的高速发展，也经历了数次概念认知革新，其理论与设计方法也有了长足的进步。从最初满足生存繁衍适应自然的制造认知层面，逐步进化到满足心理需求、管理与策略设计的服务认知层面，再到互联网创新需求中的发展认知层面，最终定会过渡到为满足环境需求而进行的可持续设计共生认知层面。而人因工学作为产品设计的支撑点，其研究不仅关乎人的行为与心理特性，目前更是将人机工学应用到工业设计产品评价中。其中更多的是采用心理学和生理学的计量检测方法，典型的技术手段有虚拟现实场景实验（图2），以及事件相关电位（Event-relatedpotencials,ERPs）实验（图3）等。国内已有学者运用事件关联电位实验的手段，研究智能手机引发的用户审美体验及其背后的神经机制。实验测得N100与N200成分为产品审美体验提供了电生理学依据。在日本，有学者以背景脑波作为评价指标，研究白昼间单波长光曝露对人生理反应的影响，并推广应用到汽车仪表盘的设计中。实验通过对被试脑波等一些生理指标的测量，发现460纳米波长的LED单色光对觉醒度有较高的维持作用。

三、工业设计中的智能人因

作为工业设计发展的一个重要方向与方法论，智能时代下的人因工学将从人的能力与行为特点出发，着眼于设计中“人”的要素。在效率至上的大环境中，我们也需要正确理解智能的相关概念。这些相关的概念大抵分为三类，即自动化、智能化与人工智能。在当下智能化产品设计的风潮中，如何将智能化在设计中正确地引导智能技术，使其更具有人性化，成为当下智能化与人因工学结合的思考点。笔者认为，未来在智能视域下的人因工学应用与工业设计结合，有两个方面值得进一步探索：

1.人因工学的智能云端产品设计生产系统从智能手机到智能可穿戴设备，再到智能家居，各色智能产品为我们的生活带来了诸多便利。智能化产品的畅销与普及使得产品制造商往往会更多地考虑销量，而忽视了产品后端的智能物联系统。从人因工学的视角观察，并不能因为产品通过销售到用户手中使用，从而判定该产品生产过程乃至生产链的终结。事实上，智能产品在与人交互的过程中，会产生许多值得后端深度挖掘的生理人因数据。以智能鞋垫为例，早期智能鞋垫设计通常以人体足部运动力学以及压电效应原理为理论依据，设计出完整的足底压力分布监测系统。（图4）并将该系统应用到不同人群、不同运动姿态下的足底压力信号进行采集，通过穿戴压力测试鞋垫，揭示不同运动状态下足底力学特点，从而对不同样本的足底压力分布差异进行简单分析。而在2017年，树屋公司针对当下人们对健康重视程度不断提高的现状，推出了Marco-X智能鞋垫。该款产品从人因舒适度的角度出发，结合了当下较为热门的智能化技术，在以往传统智能鞋垫采集提取人因数据的基础功能上，Marco-X将用户步态数据的提取与甄别作为重点，以步态数据管理为轴心，通过手机App对数据的实时监控传输与大数据分析，一方面可以通过实时检测到的数据，对人身体其他部位有可能出现的问题做出及时反馈；另一方面，数据通过收集整理反馈给鞋垫制造商，可使其不断调试与改进之后的鞋垫设计。如果说早期智能鞋垫是从设计的角度，以生产销售作为核心，数据提取仅是这一核心价值下的衍生品，那么新一代智能鞋垫的出现，则从具有社会属性的人的角度，将鞋垫制造与人因数据置于同一系统下，结合当下的人工智能与大数据分析，打造一个开放的智能设计制造生产链。这也从侧面印证了当下以人因主导的工业设计方法的先进性。对于设计者而言，获取人因数据后对其进行深入挖掘，并反复利用，从而打造以大数据为基础的产品云平台，或许能拓宽自己的设计思路。

2.让智能不再“冰冷”——人与智能体交互人机工学中的“机”，并不是简单地泛指所有的机器，而是作为设计服务主要对象的人类所使用的器具。伴随着智能化的推进与产品的更迭，我们在使用智能产品的同时，往往会忽略产品本身的情感意义。从机器的视角而言，随着自身智能性提高，机器对人的了解越深，人机关系变化发展也将逐渐呈现多元化趋势。在不久的将来，机器也将不断被以人的情感，甚至是心理需求。因而，人与智能体交互（Human-AgentInteraction,HAI）的概念便呼之欲出了。早期的智能体研究集中在信息提示领域，从对话系统中的声音合成，到微表情识别研究，都是通过在系统中加入提示性的工作来促进交互。而诸如苹果公司设计的Siri等一系列沟通智能体，旨在通过模仿人的方式体现智能性，从而提高人机交互效率。人与智能体交互是近些年在日本提出的新的研究领域，该领域主要以人与智能体之间的交互（相互作用）为研究对象。在人与智能体交互的研究过程中，不仅是像机器人技术或者图像生成技术那样，单一地观察人的交互物的动作与行为，而是更多地将重点放在人在感知智能体自身所蕴含的智能性的认知过程，进而对人机系统交互进行综合设计。我们可以列举出很多人与智能体交互应用的代表性事例，例如日本石黑工作室与大阪大学于2010年合作研发的远端临场人形机器人TelenoidR1[2]（图5），其设计意图是让老龄用户感觉他们正在与远方的熟人沟通，让社会中那些子女无暇去陪伴的“空巢老人”有个伴儿，并能真实地感受到人的情感，以此减缓老龄群体的社会压力与无助感。作为智能体的先驱代表，Telenoid包含9个执行器，允许其拥有9个自由度。它的每只眼睛可以彼此独立地水平移动，但是自身的垂直运动是同步的。嘴巴能够打开和关闭模仿说话。颈部的3个执行器为颈部提供偏航、俯仰和滚转。最后两个执行器用于手臂运动，以收到模仿人的表情和面部动作的效果。该款产品最大的特点是通过呼吸和眨眼这样的微表情，向使用者传达自身是“有生命的智能体”的理念，给智能又增加了些许温暖。此外，东芝公司在2015年开发出一款人形机器人“JunkoChihira”。（图6）[3]作为日本“机器人革命”计划的代表产品。“JunkoChihira”通过语音合成技术使其掌握中、英、日三国语言，旨在进行各地旅游信息的推广活动，目前该款机器人已掌握语音识别功能。东芝公司期望通过更多的细节完善，让其在2020年东京奥运会和残奥会上为更多游客提供服务。毫无疑问，智能化产品既是当下时代的产物，同时推动着当代科技不断推进创新。然而生活节奏的加快，使用户与智能产品的交互过程看上去多了几分冷漠。智能体的出现，旨在使当下智能交互产品变得不再冰冷，让其产生“温度”。如何使智能体准确地将信息传达给具有“社会性的人”，则需要借助设计的力量。人与智能体交互领域的研究，也为当下的人工智能，尤其与语音通信类应用带来了新的研究视角。所以，人与智能体交互研究与人工智能的正向发展有着最直接的关系。与此同时，人因工学旨在探索人与产品交互时的认知心理，以及人机系统的综合关系，甚至通过人体检测传感技术解析人体疲劳、精神压力，以及生理恒常性在使用产品和所处环境状态下的变化，最终为智能产品提供参数支持。这无疑为研究人与智能体交互提供了新的指导性方法论，即用人因工学的方法探索人在感知智能体设计中的“智能性”问题和实现方案。

结语

相对于极高精密度的自动化机器与设备而言，具备社会性的人仍是完成高难复杂任务的决定因素。可以洞见，未来的工业设计既需要以人因工学为主导的科研基础研究作为支撑，同时随着智能化设计场景的搭建与智能制造技术的不断革新，越来越多搭载人因数据的智能云端产品系统也会逐渐地运用到产业中去。不可否认，在“智能化”一词已经泛化的今天，我们既不能对智能产品与人因中的伦理风险视而不见，也不能漠视人因数据的提取和解析技术在智能化产品和智能设计中的重要作用。笔者认为，无论是工业设计，还是人工智能，其最终目的都是为了全人类谋福祉，提升人们生活的舒适度与生活质量。未来智能时代引领的工业设计，其研究重点也是基于神经心理学对人类认知情感与其背后的心理负荷的测定，通过设计的手段使智能体和人们生活行为、环境更加自然地融合，让人们与智能体之间建立更多的信任而不是排斥，这样有目的的交互就会更加自然而真切。随着人工智能的发展，全新的工业设计将会重构人们身边的工具，引发生产模式的改变，以及生产力的提升。将眼动、脑电与表面肌电等生理测析方法引入人因工程研究中，通过基础研究引领工业设计，不断创新迭代研究方法。如果说，工业设计赋予了产品形式上的美感与美学的完整性，那么人工智能则给产品增添更多的智能性与想象力，两者互为依赖。因而，将人因工程视作智能时代工业设计的思考重点，并致力于从人因体验角度，研发谋求人类福祉的新技术与工具，以及更多智能与安全兼顾，“智商”与“情商”兼具的产品，也是未来工业设计发展的重要趋势。