實(shí)體界面交互的發(fā)展與產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用探究

徐威，江禺心

（大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116024）

引言

近年來(lái)隨著智能技術(shù)的成熟與普及，產(chǎn)品的智能化趨勢(shì)愈演愈烈。一份iiMedia Research報(bào)告顯示，目前市場(chǎng)上智能硬件普及程度開始提升，產(chǎn)品種類更趨多樣化，加上消費(fèi)升級(jí)趨勢(shì)下，智能硬件作為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品更受青睞，中國(guó)智能硬件在2020年的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到10767.0億元。然而新的機(jī)遇也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，在硬件和技術(shù)都不斷革新、各類新興交互方式如語(yǔ)音交互、手勢(shì)交互、自然交互等不斷發(fā)展的今天，人們對(duì)于自然交互的需求愈發(fā)迫切，而傳統(tǒng)產(chǎn)品智能化的局限性卻依然明顯，例如目前大多數(shù)智能產(chǎn)品僅對(duì)其傳統(tǒng)原型產(chǎn)品添加附屬的芯片、觸摸屏等，其人機(jī)交互方式生硬、單一，并沒(méi)有發(fā)揮智能技術(shù)給交互方式帶來(lái)的巨大可能性，我們需要一種在智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)人機(jī)交互方式的新嘗試。

實(shí)體界面交互TUI（Tangible User Interface）是伴隨互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)字圖形界面GUI（Graphic User Interface）之后產(chǎn)生的新興交互方式，其強(qiáng)調(diào)觸覺(jué)優(yōu)勢(shì)，具有將抽象數(shù)字信息實(shí)體化的特點(diǎn)，在對(duì)交互方式要求更高的智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，有著很高的應(yīng)用潛力。本文將通過(guò)對(duì)實(shí)體界面交互理論進(jìn)行介紹以及分析相關(guān)的產(chǎn)品案例，將實(shí)體界面交互概念引入智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，嘗試提出一種針對(duì)智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具有借鑒和參考意義的設(shè)計(jì)策略。

一、實(shí)體界面交互理論基礎(chǔ)

（一）實(shí)體界面交互的定義與特征

實(shí)體界面交互是指用戶通過(guò)物理環(huán)境與數(shù)字信息發(fā)生交互行為，最初被稱為Graspable User Interface，之后發(fā)展為實(shí)體交互TI（Tangible Interaction），在后續(xù)的研究中被逐漸明確為實(shí)體界面交互TUI。

TUI旨在通過(guò)把可觸摸的實(shí)體形式賦予在無(wú)形的數(shù)字信息上，由此來(lái)增強(qiáng)用戶的協(xié)作、學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)能力，充分地利用和挖掘人類對(duì)于物理實(shí)體和材料的操作能力，強(qiáng)調(diào)物理世界與數(shù)字世界的融合，讓抽象的數(shù)字信息變成可觸碰的具象實(shí)體，使人類的信息交流更加直觀自然且普適化。實(shí)體界面交互廣泛涵蓋了多種系統(tǒng)和界面，具有有形性和物質(zhì)性、數(shù)據(jù)的物理載體、作為交互中重要組成部分的具體互動(dòng)與身體運(yùn)動(dòng)、嵌入真實(shí)的物理空間等四個(gè)特征。

（二）實(shí)體界面交互的發(fā)展沿革

1.起源

實(shí)體界面交互與人機(jī)交互HCL（Human-Computer Interaction）有著十分密切的關(guān)系，人機(jī)交互方式從最初以設(shè)備為核心、強(qiáng)調(diào)信息輸入輸出的準(zhǔn)確性，到以人的需求為核心、強(qiáng)調(diào)技術(shù)適應(yīng)人的人機(jī)協(xié)調(diào)自然交互；從最初物理信息與數(shù)字信息屬于各自獨(dú)立的空間，到物理空間與數(shù)字空間的融合共生，最終促使了實(shí)體界面交互的產(chǎn)生。

實(shí)體界面交互是在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下產(chǎn)生的一種新的交互設(shè)計(jì)趨勢(shì)，但國(guó)外很早就有了與它相關(guān)的早期工作：早在1976年Radia Perlman設(shè)計(jì)的卡片插槽編程器（The Slot Machine）就通過(guò)操作實(shí)體卡片控制命令執(zhí)行順序（圖1），實(shí)現(xiàn)了實(shí)物載體對(duì)數(shù)字信息的操控；1980年有學(xué)者提出了一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）3D建模系統(tǒng)的概念模型，通過(guò)用戶對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)體模塊組件進(jìn)行操作建模，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型會(huì)出現(xiàn)在一塊顯示屏中；1999年Abrams設(shè)計(jì)的彈珠應(yīng)答機(jī)（The Marble Answering Machine）使用彈珠來(lái)代表未接來(lái)電（圖2），用戶把設(shè)備彈出的彈珠放置在特定的位置即可回放相應(yīng)的電話留言。

圖1 卡片插槽編程器

圖2 彈珠應(yīng)答機(jī)

雖然這些早期工作還沒(méi)有系統(tǒng)地提出理論框架，但是卻已經(jīng)具備了使用實(shí)體控件來(lái)表示和操作數(shù)字信息的功能基礎(chǔ)，讓之后實(shí)體界面交互的產(chǎn)生成為可能，而其概念來(lái)源一般被認(rèn)為是由Fitzmaurice等人在1995年提出的可抓取界面（Graspable User Interface）。

2.發(fā)展

實(shí)體界面交互的概念最早是由MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的Hiroshi Ishii教授及其學(xué)生Brygg Ullmer在1997年的一篇題為Tangible Bits的文章中提出的，文中首次使用了Tangible一詞來(lái)形容這種新的交互界面形式，意圖打破圖形交互界面中用戶的操作必須通過(guò)顯示器才能實(shí)現(xiàn)的局限性，把傳統(tǒng)觀念中各自分離的物理空間和數(shù)字空間聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)物操作的輸入與輸出方式。

（1）無(wú)源階段

基于實(shí)體比特的概念，實(shí)體界面交互經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展逐漸成熟。在發(fā)展初期其研究的重點(diǎn)在于如何利用物理實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的交互形式，這一時(shí)期的實(shí)體界面大多只作為信息的輸入端，而輸出仍需要顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有無(wú)源的特征。

例如MetaDesk是MIT較早期（1997）的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將建筑的縮小實(shí)物模型等抽象幾何實(shí)體作為操作手柄，控制GUI界面中的信息通過(guò)一塊數(shù)字化增強(qiáng)的桌面顯示；Urp項(xiàng)目也是早期應(yīng)用TUI的一個(gè)范例，該項(xiàng)目使用建筑的實(shí)物比例模型來(lái)裝配和控制模擬城市的基礎(chǔ)參數(shù)，例如陰影、光反射、風(fēng)向以及其他屬性，并且提供了各種交互工具來(lái)查詢和控制其模擬參數(shù)；SandScape項(xiàng)目的工作臺(tái)由一個(gè)沙盤模型組成，任何物體都可以作為輸入或輸出機(jī)構(gòu)，例如用戶自己的手、紙張、紙板、泡沫、塑料等，通過(guò)計(jì)算機(jī)投影（如模擬水流等）增強(qiáng)效果，實(shí)現(xiàn)了任意物理屬性與信息空間的耦合；SLAP Widgets是一組由軟性硅膠和丙烯酸組成的透明組件，結(jié)合了物理部件與可視屏幕的優(yōu)點(diǎn)，作為信息輸入設(shè)備，既可以提供操作上的觸覺(jué)反饋，還支持流體操作和無(wú)眼操作，同時(shí)利用其在交互桌面上的投影可實(shí)現(xiàn)軟件標(biāo)簽的動(dòng)態(tài)控制。

（2）有源階段

TUI后來(lái)的研究重心逐漸發(fā)展為如何實(shí)現(xiàn)信息不僅能由實(shí)體端輸入，還能通過(guò)實(shí)體端輸出并產(chǎn)生物理形式的反饋（即有源的TUI），并出現(xiàn)了一些被稱為動(dòng)力實(shí)體工具包（Kinetic Tangible Toolkits）的設(shè)計(jì)項(xiàng)目：Kinetic sketchup是一組為運(yùn)動(dòng)原型提供編程語(yǔ)言的工具包，由一系列可編程的實(shí)體驅(qū)動(dòng)模塊組成，用戶將驅(qū)動(dòng)模塊嵌入到實(shí)體接口中，使數(shù)字信息與可與自行重構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)耦合，用于研究動(dòng)力支持下的機(jī)械、行為以及材料參數(shù)等方面豐富的相互作用；Bosu是一款為柔性材料提供動(dòng)態(tài)記憶的設(shè)計(jì)工具，可以記錄和回放三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，用于運(yùn)動(dòng)原型設(shè)計(jì)和數(shù)字增強(qiáng)形式的查找，將動(dòng)態(tài)建模與同步感應(yīng)、驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，創(chuàng)建一種可變形的結(jié)構(gòu)。

（3）物理組裝階段

圖3 實(shí)體界面交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

此外，圍繞可觸動(dòng)力實(shí)體概念（Embodied Kinetic Tangibles），如何實(shí)現(xiàn)通過(guò)用戶自由組裝創(chuàng)建的模型與數(shù)字空間的信息進(jìn)行耦合或是具有獨(dú)立的交互能力也是另一個(gè)研究重心（即TUI的物理組裝），例如Topobo是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)記憶（kinetic memory）的三維構(gòu)造裝配系統(tǒng)，用戶通過(guò)將被動(dòng)部件和機(jī)動(dòng)部件組裝在一起可以構(gòu)建出動(dòng)態(tài)的生物形態(tài)，然后觀察它反復(fù)回放相應(yīng)的動(dòng)作，其建模系統(tǒng)的獨(dú)特性在于它的輸入輸出端均通過(guò)物理實(shí)體操作與呈現(xiàn)，使得積木拼插組成的模型具備了簡(jiǎn)單的交互功能。

3.趨勢(shì)展望

實(shí)體界面交互在不同領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得較為成熟之后，其局限性也開始顯現(xiàn)，雖然TUI界面能較充分地實(shí)現(xiàn)信息從物理世界向數(shù)字世界的傳輸，但是在反之的過(guò)程中卻較難實(shí)現(xiàn)反饋輸出，由此，一些新興的理論觀點(diǎn)也陸續(xù)出現(xiàn)。

2008年David Holman和Roel Vertegaal提出了“有機(jī)用戶界面”（Organic User Interface）的概念，其中提到利用類似紙張的柔性且可彎曲的界面，來(lái)解決剛性界面對(duì)計(jì)算機(jī)的可用性限制問(wèn)題；2011年由Andrea Minuto等人提出了“智能材料界面”（Smart Material Interface）的概念，其中提到利用具有智能特性的新型材料制作可變的界面，它可以改變其物理性質(zhì)例如形狀、尺寸和顏色等，并且能通過(guò)特定的刺激來(lái)控制；2012年，MIT的實(shí)體交互研究小組提出了“基本原子”（Radical Atoms）的概念，作為一種未來(lái)物質(zhì)，這種動(dòng)態(tài)材料不僅可以改變其物理屬性，還能直接告知用戶其功能，所有的數(shù)字信息都有其物理表象，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字信息的融合，以及物質(zhì)與界面的融合。

“基本原子”概念的產(chǎn)生為后續(xù)人們對(duì)其他新型交互界面形式的探索研究帶來(lái)了新的視野，也對(duì)新材料、新技術(shù)、新工藝等有了更高的要求，可以想象隨著科技的發(fā)展，實(shí)體界面交互在未來(lái)將會(huì)有更豐富、更自然的實(shí)現(xiàn)形式，物理世界與數(shù)字世界也會(huì)結(jié)合得更為緊密。

二、實(shí)體界面交互產(chǎn)品案例剖析

實(shí)體界面交互在目前市場(chǎng)化產(chǎn)品中的應(yīng)用還未普及，現(xiàn)有產(chǎn)品大多數(shù)未投入大規(guī)模生產(chǎn)的概念性產(chǎn)品，但其應(yīng)用理念依然值得學(xué)習(xí)。

由Senna Graulus設(shè)計(jì)的Orbit實(shí)體音樂(lè)控件是一款可觸摸的音樂(lè)控制組件，通過(guò)用戶對(duì)數(shù)字音樂(lè)進(jìn)行物理控制回歸傳統(tǒng)的交互體驗(yàn)，提倡在觸摸屏日趨普及的今天重新回歸實(shí)體體驗(yàn)的魅力；Brumley設(shè)計(jì)的Objects In Space Fall是一種由實(shí)體用戶界面驅(qū)動(dòng)的全新形式的音樂(lè)播放器，通過(guò)對(duì)一些不同尺寸的小球控制模塊的擺放、旋轉(zhuǎn)等操作對(duì)數(shù)字對(duì)象進(jìn)行控制，操作后的結(jié)果在智能桌面上顯示，使用者沒(méi)有與傳統(tǒng)的數(shù)字界面直接交互，而是通過(guò)實(shí)體的操作模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各種功能的控制，帶來(lái)體驗(yàn)上的真實(shí)感；Kyumin Hwang設(shè)計(jì)的Davinch繪畫工具讓用戶在平板電腦上體驗(yàn)到真實(shí)繪畫的樂(lè)趣，由可旋轉(zhuǎn)的“粗糙度控制”組件、“顏色選擇器”和筆架三部分組成，用戶可以像在調(diào)色板上一樣選擇顏色以及像在桌面上一樣更換畫筆，將真實(shí)繪畫過(guò)程中的行為應(yīng)用到產(chǎn)品界面上；任天堂Switch Labo系列游戲套裝作為一個(gè)較成熟的產(chǎn)品比較具有代表性，套裝有拼裝和游戲兩個(gè)部分，就其游戲本身來(lái)說(shuō)，它脫離了單純的屏幕操作，把玩家的身體調(diào)動(dòng)起來(lái)，另外在其Labo VR系列中，更是結(jié)合了VR技術(shù)提供了更新的玩法，并且能提供沉浸式的擬真體驗(yàn)，Switch對(duì)這種新興交互方式做出的嘗試足以被看作是實(shí)體交互概念產(chǎn)品化的第一步。

運(yùn)用實(shí)體界面交互的產(chǎn)品，從效能上來(lái)看：雖然實(shí)體交互在常規(guī)操作上效能不如觸摸屏，但在精微操作上卻效能更高；實(shí)體交互具有焦點(diǎn)導(dǎo)航功能，可以提供視覺(jué)焦點(diǎn)輔助；為視野達(dá)不到的區(qū)域提供補(bǔ)充反饋；通過(guò)外露固定操作規(guī)則的部分，減少單個(gè)操作識(shí)別的時(shí)間。從體驗(yàn)上來(lái)看：實(shí)體交互具有觸摸屏無(wú)法比擬的多角度的體驗(yàn)反饋；豐富的反饋和“不夠先進(jìn)”“親切”的印象可以增強(qiáng)用戶的使用安全感。

可以說(shuō)，實(shí)體界面交互雖然源自上個(gè)交互時(shí)代，但它在如今的交互時(shí)代仍不可或缺，并且其交互形式仍會(huì)進(jìn)一步地發(fā)展，實(shí)體界面交互不會(huì)是替代現(xiàn)有的數(shù)字界面交互，而是作為一種產(chǎn)品交互方式各取所長(zhǎng)的必然演變。

三、基于實(shí)體界面交互的智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

（一）設(shè)計(jì)框架與設(shè)計(jì)模型

在實(shí)體界面交互的發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)許多理論，并且建立了相應(yīng)的理論框架，這些研究為實(shí)體交互的發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用中的設(shè)計(jì)方法提供了重要的理論基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)框架為人們的思維提供了系統(tǒng)化的支撐，例如Hornecker和Buur在2006年提出了一種實(shí)體交互框架，它由四個(gè)互相關(guān)聯(lián)的主題組成（表1），側(cè)重于探究物理空間與社會(huì)互動(dòng)的交織，并且提供了一些研究實(shí)體交互社會(huì)層面的觀點(diǎn)，有利于更好理解實(shí)體交互系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。

表1 實(shí)體交互框架

2001年Brygg Ullmer和Hiroshi Ishii在GUI的MVC模型（Model View Controller）的基礎(chǔ)上，提出了TUI的交互模型MCRpd（Model Control Representation[physical and digital]），該模型提出了實(shí)體界面交互的四個(gè)關(guān)鍵特性，其中三個(gè)特性直接涉及MCRpd模型：1.物理象征在計(jì)算上與數(shù)字信息耦合；2.物理象征體現(xiàn)交互控制的機(jī)制，這種控制通過(guò)操作實(shí)物完成；3.物理象征與數(shù)字表現(xiàn)的感知耦合；另一關(guān)鍵特性是物理象征的狀態(tài)部分地體現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字狀態(tài)。這些特性強(qiáng)調(diào)物理象征的信息呈現(xiàn)與控制的結(jié)合，為測(cè)試實(shí)體交互的重要特性提供了一種工具，并且將更有助于物理世界與數(shù)字世界的無(wú)縫銜接。

（二）設(shè)計(jì)方法及流程

以上述理論框架為基礎(chǔ)，結(jié)合資源庫(kù)的特性，本文將設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)分為用戶和產(chǎn)品兩個(gè)層面，提出了一系列針對(duì)實(shí)體界面交互在智能產(chǎn)品應(yīng)用中的設(shè)計(jì)方法及流程。（圖3）

1.建立用戶需求模型與產(chǎn)品需求文檔

首先要進(jìn)行用戶前期調(diào)研，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、用戶訪談等方式了解用戶特點(diǎn)，建立用戶需求模型，包括用戶需要實(shí)現(xiàn)怎樣的行為、達(dá)到怎樣的目的以及獲得怎樣的使用體驗(yàn)等生理和心理需求；同時(shí)要明確產(chǎn)品目標(biāo)功能，思考設(shè)計(jì)對(duì)象的本質(zhì)是什么，提取出它的功能核心，例如杯子的本質(zhì)就是盛水的工具，電話的本質(zhì)就是連接兩端通信的工具等，在定位清晰后需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研分析，總結(jié)出產(chǎn)品預(yù)期特點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出功能需求文檔。

2.尋找設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)與構(gòu)建動(dòng)作庫(kù)

一方面結(jié)合用戶需求模型和產(chǎn)品需求文檔找到設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)和重點(diǎn)，尋找產(chǎn)品使用過(guò)程中可能發(fā)生的交互行為；另一方面需記錄用戶與其他各種實(shí)體物品的交互行為，構(gòu)建用戶動(dòng)作庫(kù)，分析各交互動(dòng)作的擴(kuò)展含義，例如拍打代表激發(fā)反應(yīng)、滑動(dòng)代表調(diào)整參數(shù)、擦拭代表清除等象征含義，為特定動(dòng)作匹配對(duì)應(yīng)的實(shí)體象征，并進(jìn)行歸類整理。

3.匹配交互行為與動(dòng)作庫(kù)

根據(jù)用戶動(dòng)作庫(kù)中各動(dòng)作的擴(kuò)展含義，尋找目標(biāo)交互行為與用戶動(dòng)作擴(kuò)展含義的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將二者聯(lián)系起來(lái)并逐一匹配，實(shí)現(xiàn)用戶行為與產(chǎn)品交互功能的一一對(duì)應(yīng)，最后結(jié)合設(shè)計(jì)心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)等設(shè)計(jì)理論進(jìn)行最終設(shè)計(jì)構(gòu)思。

需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)，應(yīng)該對(duì)產(chǎn)品交互行為的本質(zhì)更直接地表達(dá)，用戶對(duì)產(chǎn)品更直觀的感受可減少使用時(shí)的阻礙，另外在產(chǎn)品交互模式上還可以打破常規(guī)進(jìn)行創(chuàng)新，思考如何利用最自然的行為實(shí)現(xiàn)交互動(dòng)作，通過(guò)直接高效的操作將行為與結(jié)果直接聯(lián)系起來(lái)，在產(chǎn)品的功能反饋上還可以考慮多感官形式的體現(xiàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)體界面交互順應(yīng)著時(shí)代需求而萌生，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)了有價(jià)值的轉(zhuǎn)變，但在某些方面卻不一定適用，它在實(shí)現(xiàn)操作高效便利的同時(shí)，也存在著一些局限和不足，本文對(duì)實(shí)體界面交互的發(fā)展變革、產(chǎn)品實(shí)例分析等進(jìn)行介紹，以相關(guān)理論框架為基礎(chǔ)，提出了一系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中的設(shè)計(jì)方法與流程，為將來(lái)可能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一定程度的參考依據(jù)?！?/p>