人機交互視角下可穿戴水上救生產(chǎn)品設(shè)計策略研究

白楊 張繼曉

關(guān)鍵詞：水上救生 可穿戴設(shè)備 人機交互 救生產(chǎn)品 設(shè)計策略

引言

傳統(tǒng)水上救生產(chǎn)品以提供浮力和確定浮力分布為主要設(shè)計方向，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，人們對水上救生產(chǎn)品的需求也隨之增加。傳感器、數(shù)據(jù)處理與移動物聯(lián)網(wǎng)等可穿戴技術(shù)被引入救生領(lǐng)域之中，水上救生產(chǎn)品變得越來越智能化，可穿戴式救生產(chǎn)品已經(jīng)成為水上救生重要研究方向?？纱┐魉暇壬a(chǎn)品與傳統(tǒng)水上救生裝備相比，具有更便攜、更安全更舒適等特點，這樣的轉(zhuǎn)變必然帶來全新的人機交互方式與行為產(chǎn)生。便捷的人機交互方式成為可穿戴水上救生產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)主要考慮的方向。本文通過對可穿戴水上救生產(chǎn)品的分類梳理并對其功能及交互方式進(jìn)行分析，對可穿戴水上救生產(chǎn)品人機交互的現(xiàn)存問題進(jìn)行系統(tǒng)歸納，分析這些問題對產(chǎn)品交互行為的影響，總結(jié)歸納出人機交互下的可穿戴水上救生產(chǎn)品設(shè)計策略。

一、可穿戴水上救生產(chǎn)品概述與分類

可穿戴設(shè)備是指可直接放置皮膚上，或與紡織產(chǎn)品結(jié)合穿在身體上的微電子設(shè)備，通過傳感器、智能交互、數(shù)據(jù)處理平臺以及移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合運用，從而實現(xiàn)對人體或周邊環(huán)境的相關(guān)信息進(jìn)行檢測、處理和傳輸[1，2]。水上救生裝備是人們在水域活動時保障生命安全的水上防護(hù)用品，主要分為個體救生裝備和集體救生裝備，個體救生裝備是指可隨身攜帶，供個體在緊急狀態(tài)下使用的能夠提供浮力，保證落水者漂浮在水面的救生工具[3]，其中包括救生衣、救生圈和浮板等種類。隨著可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，水上個體救生裝備從最初的基本浮力保障，轉(zhuǎn)變?yōu)榧尤雮鞲衅鞯妊b置的智能可穿戴水上救生產(chǎn)品，為保障人體安全提供了多種可能。本文所提出的可穿戴水上救生產(chǎn)品是指基于可穿戴技術(shù)的能夠佩戴在身上的個體防護(hù)和救生產(chǎn)品，如圖1。

按救生方式分類，可穿戴水上救生產(chǎn)品可分為監(jiān)測警報和安全漂浮兩種類型。

（一）監(jiān)測警報類

水上救生產(chǎn)品的落水警報功能有助于提高救援者對落水人員的搜救效率，使落水者及時獲得救援。iSwimband兒童防溺水裝備（圖2-a）利用藍(lán)牙發(fā)射器與移動設(shè)備的應(yīng)用程序相連接，有效監(jiān)控距離在30米內(nèi)，內(nèi)置的環(huán)境傳感器在水下超過設(shè)置時間會自動向移動設(shè)備發(fā)送警報。1st Mate海上救生設(shè)備（圖2-b）通過可穿戴設(shè)備、應(yīng)用程序與中央集線器結(jié)合生成智能安全網(wǎng)絡(luò)；分為船長和乘客兩個系統(tǒng)：在乘客系統(tǒng)中，設(shè)備具有向應(yīng)用程序發(fā)送求救信號和 GPS 定位的功能，并在應(yīng)用程序上提供救援路線；在船長系統(tǒng)中，設(shè)備在乘客系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了切斷發(fā)動機動力的功能。海上落水報警定位裝置（圖2-c）具有落水自動報警、手動報警和一鍵報平安功能，不僅可以通過公網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)控，還可以利用北斗短報文將落水者的位置發(fā)送給預(yù)設(shè)的聯(lián)系人。

（二）安全漂浮類

水上救生產(chǎn)品的浮力獲得，主要基于充氣氣囊和固有浮力材料兩種方式。可穿戴水上救生產(chǎn)品主要采用氣囊式，不僅可以提供基礎(chǔ)浮力還可以保證救生裝備的適體性，能夠給使用者較大的活動空間，減少水上運動時的不適感。Kingii充氣手環(huán)（圖3-a）操作簡單，落水者拉動銀色手柄后，高壓氣罐迅速向氣囊充氣就能將落水者拉到水面，并配備了安全哨和指南針以便進(jìn)行自救。Ploota救生項圈（圖3-b）內(nèi)置環(huán)境傳感器檢測在水下時間過長氣囊可自動充氣，也可以手動操作打開充氣氣囊，把落水者的頭部迅速抬至水面以上。SeeArch個人漂浮裝置（圖3-c）可與救生衣搭配使用，在打開充氣裝置后形成高1.5米的三角拱門形漂浮物，充氣拱門可充當(dāng)?shù)跛鳎咕仍藛T把落水者拉出水面。Lifeshirt救生衣T恤（圖3-d）需要手動操作打開氣囊裝置或用口腔閥充氣，氣囊充氣后自動激活傳感器，向移動設(shè)備發(fā)送警報及位置。

可穿戴水上救生產(chǎn)品不論是監(jiān)測警報類還是安全漂浮類都不具備顯示屏，人機交互主要使用者通過傳統(tǒng)物理操作（打開氣囊或觸摸按鍵）、傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)探測和設(shè)備向應(yīng)用程序發(fā)送信息三種方式。這三種交互方式本質(zhì)上是兩種人機交互類型：一是人主動與產(chǎn)品進(jìn)行交互，如使用者打開氣囊或觸摸按鍵；二是產(chǎn)品主動感知并與人進(jìn)行交互，例如產(chǎn)品通過傳感器采集環(huán)境信息并向移動程序發(fā)送信息。

二、可穿戴水上救生產(chǎn)品人機交互的現(xiàn)存問題

人機交互以實現(xiàn)自然、高效、和諧的人機關(guān)系為目的，研究人、計算機以及它們之間雙向信息交換的技術(shù)[4]。隨著計算機硬件的不斷發(fā)展，傳感器、移動物聯(lián)網(wǎng)等核心技術(shù)的載體變得越來越小巧化與輕便化，設(shè)備的適體性方面得到優(yōu)化，使得可穿戴設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫狡占??？纱┐髟O(shè)備成為人機交互的媒介，將電子設(shè)備作為人體器官的延伸，使得人機交互方式發(fā)生了本質(zhì)變化。交互界面在可穿戴設(shè)備上不再局限于傳統(tǒng)設(shè)備的電子屏幕，設(shè)備通過傳感器感知使用者或環(huán)境，推理使用者意圖并輸出?？纱┐魉暇壬a(chǎn)品把傳統(tǒng)圖形界面的交互轉(zhuǎn)化為執(zhí)行動作或感知反饋信息的交互方法，輸入與輸出設(shè)備的功能操作主要在移動應(yīng)用程序上完成的，傳感器通過感知環(huán)境來進(jìn)行判斷，甚至不需要使用者與設(shè)備直接交互。無形的交互界面把人們從傳統(tǒng)的圖形界面的束縛中解脫出來，人類與機器的交流更加生動與自然。

雖然可穿戴水上救生產(chǎn)品較于傳統(tǒng)水上救生產(chǎn)品有智能和便攜的優(yōu)點，但同時也存在諸多問題。

（一）忽視使用者需求

掌握使用者的需求可以使產(chǎn)品提供良好的交互方式和用戶體驗。雖然可穿戴技術(shù)的水上救生產(chǎn)品種類繁多，但大多數(shù)人在進(jìn)行水上活動時依舊選擇傳統(tǒng)救生裝備。造成這種現(xiàn)象主要有兩個原因：一部分是受技術(shù)影響，當(dāng)下可穿戴技術(shù)尚未完全成熟，人機交互產(chǎn)生阻礙，產(chǎn)品不能更好地服務(wù)于人；更為重要的原因是，設(shè)計者忽視使用者的需求在人機交互過程中的重要作用，導(dǎo)致救生產(chǎn)品在實際應(yīng)用中未能達(dá)到預(yù)期效果。因此，人機交互下的產(chǎn)品設(shè)計需要了解使用者與產(chǎn)品的關(guān)系，即使用者購買產(chǎn)品時的目的，如何使用產(chǎn)品以及使用產(chǎn)品后所期望達(dá)到的效果。通過上文的分析可以看出，監(jiān)測警報與安全漂浮兩種類型的水上救生產(chǎn)品功能相對獨立，不能同時兼顧。例如，監(jiān)測警報類可穿戴水上救生產(chǎn)品具備GPS定位、警報與設(shè)計救援路線等功能，適用于開放性水域的落水救援，但無法使落水者安全漂浮于水面，必需搭配其他能夠提供浮力的救生產(chǎn)品一起使用。這是由于設(shè)計時沒有考慮到使用者的使用情境和方式，導(dǎo)致產(chǎn)品功能無法滿足使用者需求。

（二）單一的交互方式

可穿戴設(shè)備具有語音、眼動和手勢等多種交互方式，但由于水上救生產(chǎn)品的使用環(huán)境及應(yīng)用場景較為特殊，因此在交互方式的選擇上會受到一定程度的限制。安全漂浮類的水上救生產(chǎn)品以物理操作為主要交互方式，即手動打開充氣裝置為氣囊充氣。這種方式雖然可靠，但不能夠很好地滿足人機交互過程中所要求的高效與便捷，加重了使用者的操作負(fù)擔(dān)。監(jiān)測警報類的水上救生產(chǎn)品以基于環(huán)境感應(yīng)的傳感交互為主要交互方式，通過傳感器采集環(huán)境信息來判斷使用者是否需要救援。然而這種交互方式判斷溺水方法容易產(chǎn)生誤判，例如，有使用者曾將兩個iSwimband兒童防溺水頭帶置于水下三分鐘后，其中一個設(shè)備發(fā)出警報，另一個始終沒有警報。單一的交互方式使產(chǎn)品不能準(zhǔn)確地判斷使用者是否溺水，并且不穩(wěn)定的使用狀態(tài)難以給予使用者足夠的安全感，也無法使人們更好地應(yīng)對在水域活動時所面臨的復(fù)雜問題。

（三）被動的顯式交互

目前，可穿戴水上救生產(chǎn)品以顯式交互為主要交互方式，即使用者通過鍵盤，按鈕，觸摸等方式主動輸入的交互過程[5]。顯式交互在進(jìn)行精準(zhǔn)明確的交互過程中發(fā)揮著不可取代的作用，但卻屬于被動的交互方式，即使用者需要集中注意力輸入明確的交互指令，產(chǎn)品被動地接收指令并執(zhí)行。這種被動的交互方式具有一定局限性：一方面可穿戴水上救生產(chǎn)品追求小型化與便攜化，導(dǎo)致交互界面較小或沒有交互界面，難以滿足顯式交互的需求；另一方面，顯式交互需要使用者主動輸入明確指令來打開救生裝置，占用使用者的注意力資源，而人體在落水時精神緊張難以集中注意力輸入精確的指令。因此，被動的顯式交互方式無法實現(xiàn)水上救生產(chǎn)品在交互過程中所要求的高效與便捷，難以達(dá)到快速、智能的救生目的。

三、人機交互下的可穿戴水上救生產(chǎn)品分析與設(shè)計策略

通過上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，融合了可穿戴技術(shù)的智能水上救生產(chǎn)品，對比傳統(tǒng)的水上救生產(chǎn)品，其交互方式已很大的區(qū)別，導(dǎo)致人機交互方式也發(fā)生了變化。因此，需要對可穿戴水上救生產(chǎn)品人機交互的現(xiàn)存問題進(jìn)行進(jìn)一步分析歸納，尋找能夠?qū)崿F(xiàn)高效、便捷、安全的人機交互的設(shè)計策略，使可穿戴水上救生產(chǎn)品更好地保障使用者的生命安全。

（一）人機交互下的可穿戴水上救生產(chǎn)品問題分析

1.核心需求層次歸納與分析

人機交互的核心在于滿足使用者的需求。研究使用者核心需求可以優(yōu)化人機交互方式，從而提升使用者的用戶體驗。美國心理學(xué)家馬斯洛于1943年提出了“馬斯洛需求層次理論”，將人的需求分為五個層次，從低到高分別為：生理、安全、社交、尊重及自我實現(xiàn)需求。以上五個層次由低級向高級逐級發(fā)展，在多種需求未被滿足時，滿足低層次的需求更為迫切；某一層次的需求被滿足后，人們會尋求更高層次的滿足；每個需求層次之間是交叉重疊的關(guān)系。依據(jù)馬斯洛需求層次理論，得到水上救生需求的五個層次，如圖4。其中生理與安全需求為核心需求。在可穿戴水上救生產(chǎn)品設(shè)計過程中，應(yīng)將保障人的生理需求與安全需求作為設(shè)計的首要任務(wù)，其次是考慮使用者的溝通需求與情感需求，再次是自我實現(xiàn)需求。

依據(jù)以上五個需求層次，可以逐級實現(xiàn)可穿戴水上救生產(chǎn)品三個功能層次。由低到高分別為：實現(xiàn)安全漂浮、示位、警報等對人體保護(hù)的基本核心功能；滿足情感需求的語音交流、信息傳遞等功能；以滿足自我實現(xiàn)需求的對他人實施救援的功能。同時，可穿戴水上救生產(chǎn)品的功能層次應(yīng)符合人機交互設(shè)計的兩個目標(biāo)，即可用性目標(biāo)與用戶體驗?zāi)繕?biāo)[6]。如圖5?？捎眯阅繕?biāo)主要指產(chǎn)品滿足效率、有用、身心安全等使用者行為層面的目標(biāo)，可穿戴水上救生產(chǎn)品中核心功能需要滿足行為層的可用性目標(biāo)。用戶體驗?zāi)繕?biāo)則需要產(chǎn)品滿足使用者情感層面的，如情緒、安撫、愉悅感、獲得感、美感等目標(biāo)。信息傳遞、語音交流和對他人進(jìn)行救援這兩個層次功能則需要滿足用戶體驗?zāi)繕?biāo)。可用性目標(biāo)與用戶體驗?zāi)繕?biāo)是相互關(guān)聯(lián)與補充的整體性關(guān)系，可用性通常是用戶體驗的基礎(chǔ)，而用戶體驗又會反作用于可用性。

2.細(xì)分差異下的需求分析

使用者需求與產(chǎn)品功能之間的關(guān)系，會影響人機交互方式是否精準(zhǔn)。因此需細(xì)分人群、環(huán)境、用途差異下的需求，使之與產(chǎn)品功能相匹配。

2.1 人群差異下的需求分析

不同人群在落水時的行為動態(tài)與心理變化，導(dǎo)致可穿戴水上救生產(chǎn)品的需求差異，如表1。兒童群體身體尚未發(fā)育成熟，而老年群體身體各機能衰退，使得這兩個群體在落水后均不能進(jìn)行有效的自救援。因此，需要通過優(yōu)化人機交互關(guān)系，使水上救生產(chǎn)品具有對行為動態(tài)的識別判斷功能。例如，劉永慶等通過將加速度傳感器固定在手腕和腳腕的實驗測試與分析，計算出不同泳姿的加速度特征分析。對泳姿，劃臂等行為動態(tài)的識別與分析，可以及時發(fā)現(xiàn)溺水情況。

2.2 環(huán)境差異下的需求分析

根據(jù)使用者所處的水域環(huán)境的差異，可穿戴水上救生產(chǎn)品的基本需求也不同，如表2。水上救生產(chǎn)品在滿足安全漂浮的基本要求后，在封閉水域使用時，要首先考慮產(chǎn)品的便捷性與適體性，以滿足使用者在水下自由活動。而在開放水域使用時，則要優(yōu)先實現(xiàn)示位、通信等營救功能，以便救援者可以準(zhǔn)確地定位落水者快速實施救援。

2.3用途差異下的需求

可穿戴水上救生產(chǎn)品的用途廣泛，面對不同使用場景，產(chǎn)品的功能也應(yīng)做到精準(zhǔn)匹配。如表3。能夠進(jìn)行水上運動的場所具有良好的營救設(shè)施，因此一般不配備GPS定位，通訊等功能。而軍用水上救生產(chǎn)品作為單兵作戰(zhàn)防護(hù)裝備，在安全漂浮、示位、營救等方面需要比民用水上救生產(chǎn)品的要求更高，且需具有防彈功能。

3.主動的隱式交互方式分析

隱式交互方式具有主動預(yù)測與救援功能。其不需要使用者持續(xù)集中關(guān)注產(chǎn)品并輸入指令，就可以測量、獲取人體生理信號、運動狀態(tài)和環(huán)境信息，突破人體的生理局限，幫助使用者在無意識情況下完成救生功能，降低使用者對設(shè)備認(rèn)知負(fù)擔(dān)，提升交互質(zhì)量。例如，人體在溺水早期（一分鐘內(nèi)）生命體征會產(chǎn)生血壓升高、心率增快等變化。面對這種生理變化，采用生理傳感器來檢測人體的生理參數(shù)，通過隱式交互方式主動評估使用者的身體狀況，可提升救援效率。NJFarin 等 設(shè)計并實現(xiàn)了一種利用可穿戴式傳感器來實時監(jiān)測人體心率的檢測系統(tǒng)，當(dāng)心率過高或過低的異常狀況時可以及時向用戶發(fā)送警告信號。但就目前的技術(shù)而言，單純依賴基于傳感器的生理監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測，依舊無法完全保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（二）人機交互下的可穿戴水上救生產(chǎn)品設(shè)計策略

1.基礎(chǔ)保障：以滿足核心需求層次的設(shè)計定位

將可穿戴水上救生產(chǎn)品的可用性目標(biāo)作為用戶體驗?zāi)繕?biāo)的基礎(chǔ)，需要遵循核心需求層次優(yōu)先的設(shè)計方法，把保障人的生理需求與安全需求作為設(shè)計的首要目標(biāo)和定位。

滿足核心需求層次需要科學(xué)合理的浮力分布。水上救生產(chǎn)品的設(shè)計過程中需要掌握溺水時人體行為特征，通過分析浮力分布位置，來控制落水者在水中的姿勢?？茖W(xué)的浮力分布結(jié)構(gòu)可以保證人體在溺水時，無論是處于何種姿勢與是否處于昏迷狀態(tài)，都能在幾秒鐘之內(nèi)自動翻轉(zhuǎn)落水者，使其的口鼻高于水面之上，以保證落水者的生命安全，滿足水上救生的生理需求。

安全適體的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以優(yōu)化產(chǎn)品的核心功能。人體在靜止時，身體各個部位的尺寸與維度是相對穩(wěn)定的，而在活動時，人體的各方面數(shù)據(jù)會相應(yīng)發(fā)生變化。因此，除了要把握人體的基本尺寸，更要對人體在水下運動時身體各部位的運動范圍、頻率和幅度等方面進(jìn)行分析與研究。從人體工程學(xué)的角度掌握人體運動時的變化量，保證水上救生產(chǎn)品的適體性結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足使用者在水下自由活動的要求，從而保證水上救生產(chǎn)品被高效且安全的使用。

2.精準(zhǔn)施策：細(xì)分使用者需求類型的設(shè)計方法

細(xì)分使用者需求可以在設(shè)計中避免技術(shù)需求優(yōu)先帶來的被動式與需求不對應(yīng)的弊病。人群、環(huán)境、用途差異下的需求，這三者需求類型既相對獨立，又相互作用。若只對其中一方面進(jìn)行考慮，產(chǎn)品則不能完全滿足使用者需求，也無法保證人機交互的流暢順利。因此，在設(shè)計過程需要同時考量這三個方面的差異，尋求最優(yōu)的需求與功能匹配方案，才能夠精準(zhǔn)定位產(chǎn)品的具體功能，并明確交互方式。如圖6。權(quán)衡考量環(huán)境、人群、用途三種差異下的需求，構(gòu)建三者間需求集合，形成設(shè)計的條件需求，最終將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的具體功能。細(xì)分使用者需求類型的設(shè)計方法能夠使可穿戴水上救生產(chǎn)品被高效且安全的使用，同時對使用者起到合理有效的防護(hù)。

3.高效協(xié)同：顯、隱式交互方式的共同作用

顯式交互與隱式交互方式通過相互關(guān)聯(lián)，使整個人機交互過程自然順暢，同時擴(kuò)展人機交互方式的維度。例如，充氣裝置有手動充氣，自動充氣兩種方式，分別對應(yīng)顯式交互與隱式交互方式，同時使用兩種方式，可以在自動充氣失效時，直接采用手動充氣保證落水者生命安全。對可穿戴水上救生產(chǎn)品核心功能的交互方式進(jìn)行梳理，得到核心功能的顯式與隱式交互方式，如表4。在設(shè)計過程中采用顯、隱式交互方式共同作用的設(shè)計方法，能夠提高核心功能的人機交互效率，使可穿戴水上救生產(chǎn)品的感知系統(tǒng)突破人體的生理局限，幫助使用者在無意識情況下完成救生功能，快速且高效實現(xiàn)對落水者的救援或自救，最大程度保障使用者的人身安全。

結(jié)語

基于可穿戴技術(shù)的水上救生裝備已成為救生領(lǐng)域的研究方向，并擁有著廣闊的發(fā)展空間與潛力。當(dāng)前，可穿戴水上救生產(chǎn)品在設(shè)計上缺乏創(chuàng)新，忽視用戶需求、無法實現(xiàn)高效的人機交互等問題成為阻礙救生產(chǎn)品發(fā)展的重要原因。因此，設(shè)計者在設(shè)計與研發(fā)的過程中應(yīng)以可穿戴設(shè)備作為人機交互的媒介，探索以核心需求層次優(yōu)先的交互基礎(chǔ)邏輯、細(xì)分使用者需求類型后的精準(zhǔn)交互方式和顯、隱式交互方式的共同作用的設(shè)計策略，實現(xiàn)高效、便捷、安全的人機交互，從而更好地保障使用者的生命安全。此次研究為人機交互視角下的可穿戴水上救生產(chǎn)品提供新的思路與參考，對未來更安全、便捷、智能化的水上救生產(chǎn)品的再升級具有一定的參考價值。