實體界面交互的發展與產品設計應用探究

徐威，江禺心

（大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024）

引言

近年來隨著智能技術的成熟與普及，產品的智能化趨勢愈演愈烈。一份iiMedia Research報告顯示，目前市場上智能硬件普及程度開始提升，產品種類更趨多樣化，加上消費升級趨勢下，智能硬件作為優質產品更受青睞，中國智能硬件在2020年的市場規模預計將達到10767.0億元。然而新的機遇也帶來了新的挑戰，在硬件和技術都不斷革新、各類新興交互方式如語音交互、手勢交互、自然交互等不斷發展的今天，人們對于自然交互的需求愈發迫切，而傳統產品智能化的局限性卻依然明顯，例如目前大多數智能產品僅對其傳統原型產品添加附屬的芯片、觸摸屏等，其人機交互方式生硬、單一，并沒有發揮智能技術給交互方式帶來的巨大可能性，我們需要一種在智能產品設計中對人機交互方式的新嘗試。

實體界面交互TUI（Tangible User Interface）是伴隨互聯網時代數字圖形界面GUI（Graphic User Interface）之后產生的新興交互方式，其強調觸覺優勢，具有將抽象數字信息實體化的特點，在對交互方式要求更高的智能產品的設計中，有著很高的應用潛力。本文將通過對實體界面交互理論進行介紹以及分析相關的產品案例，將實體界面交互概念引入智能產品的設計中，嘗試提出一種針對智能產品設計的具有借鑒和參考意義的設計策略。

一、實體界面交互理論基礎

（一）實體界面交互的定義與特征

實體界面交互是指用戶通過物理環境與數字信息發生交互行為，最初被稱為Graspable User Interface，之后發展為實體交互TI（Tangible Interaction），在后續的研究中被逐漸明確為實體界面交互TUI。

TUI旨在通過把可觸摸的實體形式賦予在無形的數字信息上，由此來增強用戶的協作、學習和設計能力，充分地利用和挖掘人類對于物理實體和材料的操作能力，強調物理世界與數字世界的融合，讓抽象的數字信息變成可觸碰的具象實體，使人類的信息交流更加直觀自然且普適化。實體界面交互廣泛涵蓋了多種系統和界面，具有有形性和物質性、數據的物理載體、作為交互中重要組成部分的具體互動與身體運動、嵌入真實的物理空間等四個特征。

（二）實體界面交互的發展沿革

1.起源

實體界面交互與人機交互HCL（Human-Computer Interaction）有著十分密切的關系，人機交互方式從最初以設備為核心、強調信息輸入輸出的準確性，到以人的需求為核心、強調技術適應人的人機協調自然交互；從最初物理信息與數字信息屬于各自獨立的空間，到物理空間與數字空間的融合共生，最終促使了實體界面交互的產生。

實體界面交互是在物聯網時代背景下產生的一種新的交互設計趨勢，但國外很早就有了與它相關的早期工作：早在1976年Radia Perlman設計的卡片插槽編程器（The Slot Machine）就通過操作實體卡片控制命令執行順序（圖1），實現了實物載體對數字信息的操控；1980年有學者提出了一種計算機輔助設計（CAD）3D建模系統的概念模型，通過用戶對系統中的實體模塊組件進行操作建模，其對應的數字模型會出現在一塊顯示屏中；1999年Abrams設計的彈珠應答機（The Marble Answering Machine）使用彈珠來代表未接來電（圖2），用戶把設備彈出的彈珠放置在特定的位置即可回放相應的電話留言。

圖1 卡片插槽編程器

圖2 彈珠應答機

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

2.發展

實體界面交互的概念最早是由MIT媒體實驗室的Hiroshi Ishii教授及其學生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顯示器才能實現的局限性，把傳統觀念中各自分離的物理空間和數字空間聯系起來，實現基于實物操作的輸入與輸出方式。

（1）無源階段

基于實體比特的概念，實體界面交互經過二十多年的發展逐漸成熟。在發展初期其研究的重點在于如何利用物理實體來實現豐富的交互形式，這一時期的實體界面大多只作為信息的輸入端，而輸出仍需要顯示器來實現，具有無源的特征。

例如MetaDesk是MIT較早期（1997）的一個項目，該項目將建筑的縮小實物模型等抽象幾何實體作為操作手柄，控制GUI界面中的信息通過一塊數字化增強的桌面顯示；Urp項目也是早期應用TUI的一個范例，該項目使用建筑的實物比例模型來裝配和控制模擬城市的基礎參數，例如陰影、光反射、風向以及其他屬性，并且提供了各種交互工具來查詢和控制其模擬參數；SandScape項目的工作臺由一個沙盤模型組成，任何物體都可以作為輸入或輸出機構，例如用戶自己的手、紙張、紙板、泡沫、塑料等，通過計算機投影（如模擬水流等）增強效果，實現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，結合了物理部件與可視屏幕的優點，作為信息輸入設備，既可以提供操作上的觸覺反饋，還支持流體操作和無眼操作，同時利用其在交互桌面上的投影可實現軟件標簽的動態控制。

（2）有源階段

TUI后來的研究重心逐漸發展為如何實現信息不僅能由實體端輸入，還能通過實體端輸出并產生物理形式的反饋（即有源的TUI），并出現了一些被稱為動力實體工具包（Kinetic Tangible Toolkits）的設計項目：Kinetic sketchup是一組為運動原型提供編程語言的工具包，由一系列可編程的實體驅動模塊組成，用戶將驅動模塊嵌入到實體接口中，使數字信息與可與自行重構的結構動態耦合，用于研究動力支持下的機械、行為以及材料參數等方面豐富的相互作用；Bosu是一款為柔性材料提供動態記憶的設計工具，可以記錄和回放三維空間內的運動，用于運動原型設計和數字增強形式的查找，將動態建模與同步感應、驅動相結合，創建一種可變形的結構。

（3）物理組裝階段

圖3 實體界面交互產品設計流程

此外，圍繞可觸動力實體概念（Embodied Kinetic Tangibles），如何實現通過用戶自由組裝創建的模型與數字空間的信息進行耦合或是具有獨立的交互能力也是另一個研究重心（即TUI的物理組裝），例如Topobo是一個具有動態記憶（kinetic memory）的三維構造裝配系統，用戶通過將被動部件和機動部件組裝在一起可以構建出動態的生物形態，然后觀察它反復回放相應的動作，其建模系統的獨特性在于它的輸入輸出端均通過物理實體操作與呈現，使得積木拼插組成的模型具備了簡單的交互功能。

3.趨勢展望

實體界面交互在不同領域的應用發展得較為成熟之后，其局限性也開始顯現，雖然TUI界面能較充分地實現信息從物理世界向數字世界的傳輸，但是在反之的過程中卻較難實現反饋輸出，由此，一些新興的理論觀點也陸續出現。

2008年David Holman和Roel Vertegaal提出了“有機用戶界面”（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，來解決剛性界面對計算機的可用性限制問題；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例如形狀、尺寸和顏色等，并且能通過特定的刺激來控制；2012年，MIT的實體交互研究小組提出了“基本原子”（Radical Atoms）的概念，作為一種未來物質，這種動態材料不僅可以改變其物理屬性，還能直接告知用戶其功能，所有的數字信息都有其物理表象，實現物理實體與數字信息的融合，以及物質與界面的融合。

“基本原子”概念的產生為后續人們對其他新型交互界面形式的探索研究帶來了新的視野，也對新材料、新技術、新工藝等有了更高的要求，可以想象隨著科技的發展，實體界面交互在未來將會有更豐富、更自然的實現形式，物理世界與數字世界也會結合得更為緊密。

二、實體界面交互產品案例剖析

實體界面交互在目前市場化產品中的應用還未普及，現有產品大多數未投入大規模生產的概念性產品，但其應用理念依然值得學習。

由Senna Graulus設計的Orbit實體音樂控件是一款可觸摸的音樂控制組件，通過用戶對數字音樂進行物理控制回歸傳統的交互體驗，提倡在觸摸屏日趨普及的今天重新回歸實體體驗的魅力；Brumley設計的Objects In Space Fall是一種由實體用戶界面驅動的全新形式的音樂播放器，通過對一些不同尺寸的小球控制模塊的擺放、旋轉等操作對數字對象進行控制，操作后的結果在智能桌面上顯示，使用者沒有與傳統的數字界面直接交互，而是通過實體的操作模塊實現對各種功能的控制，帶來體驗上的真實感；Kyumin Hwang設計的Davinch繪畫工具讓用戶在平板電腦上體驗到真實繪畫的樂趣，由可旋轉的“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，將真實繪畫過程中的行為應用到產品界面上；任天堂Switch Labo系列游戲套裝作為一個較成熟的產品比較具有代表性，套裝有拼裝和游戲兩個部分，就其游戲本身來說，它脫離了單純的屏幕操作，把玩家的身體調動起來，另外在其Labo VR系列中，更是結合了VR技術提供了更新的玩法，并且能提供沉浸式的擬真體驗，Switch對這種新興交互方式做出的嘗試足以被看作是實體交互概念產品化的第一步。

運用實體界面交互的產品，從效能上來看：雖然實體交互在常規操作上效能不如觸摸屏，但在精微操作上卻效能更高；實體交互具有焦點導航功能，可以提供視覺焦點輔助；為視野達不到的區域提供補充反饋；通過外露固定操作規則的部分，減少單個操作識別的時間。從體驗上來看：實體交互具有觸摸屏無法比擬的多角度的體驗反饋；豐富的反饋和“不夠先進”“親切”的印象可以增強用戶的使用安全感。

可以說，實體界面交互雖然源自上個交互時代，但它在如今的交互時代仍不可或缺，并且其交互形式仍會進一步地發展，實體界面交互不會是替代現有的數字界面交互，而是作為一種產品交互方式各取所長的必然演變。

三、基于實體界面交互的智能產品設計方法

（一）設計框架與設計模型

在實體界面交互的發展過程中出現過許多理論，并且建立了相應的理論框架，這些研究為實體交互的發展和產品應用中的設計方法提供了重要的理論基礎。

設計框架為人們的思維提供了系統化的支撐，例如Hornecker和Buur在2006年提出了一種實體交互框架，它由四個互相關聯的主題組成（表1），側重于探究物理空間與社會互動的交織，并且提供了一些研究實體交互社會層面的觀點，有利于更好理解實體交互系統的用戶體驗。

表1 實體交互框架

2001年Brygg Ullmer和Hiroshi Ishii在GUI的MVC模型（Model View Controller）的基礎上，提出了TUI的交互模型MCRpd（Model Control Representation[physical and digital]），該模型提出了實體界面交互的四個關鍵特性，其中三個特性直接涉及MCRpd模型：1.物理象征在計算上與數字信息耦合；2.物理象征體現交互控制的機制，這種控制通過操作實物完成；3.物理象征與數字表現的感知耦合；另一關鍵特性是物理象征的狀態部分地體現了系統的數字狀態。這些特性強調物理象征的信息呈現與控制的結合，為測試實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字世界的無縫銜接。

（二）設計方法及流程

以上述理論框架為基礎，結合資源庫的特性，本文將設計方法的結構分為用戶和產品兩個層面，提出了一系列針對實體界面交互在智能產品應用中的設計方法及流程。（圖3）

1.建立用戶需求模型與產品需求文檔

首先要進行用戶前期調研，通過問卷調查、用戶訪談等方式了解用戶特點，建立用戶需求模型，包括用戶需要實現怎樣的行為、達到怎樣的目的以及獲得怎樣的使用體驗等生理和心理需求；同時要明確產品目標功能，思考設計對象的本質是什么，提取出它的功能核心，例如杯子的本質就是盛水的工具，電話的本質就是連接兩端通信的工具等，在定位清晰后需要對產品進行調研分析，總結出產品預期特點，明確設計目標，提出功能需求文檔。

2.尋找設計機會點與構建動作庫

一方面結合用戶需求模型和產品需求文檔找到設計機會點，明確設計的細節和重點，尋找產品使用過程中可能發生的交互行為；另一方面需記錄用戶與其他各種實體物品的交互行為，構建用戶動作庫，分析各交互動作的擴展含義，例如拍打代表激發反應、滑動代表調整參數、擦拭代表清除等象征含義，為特定動作匹配對應的實體象征，并進行歸類整理。

3.匹配交互行為與動作庫

根據用戶動作庫中各動作的擴展含義，尋找目標交互行為與用戶動作擴展含義的對應關系，將二者聯系起來并逐一匹配，實現用戶行為與產品交互功能的一一對應，最后結合設計心理學、人機工程學等設計理論進行最終設計構思。

需要注意的是，為了實現更好的用戶體驗，應該對產品交互行為的本質更直接地表達，用戶對產品更直觀的感受可減少使用時的阻礙，另外在產品交互模式上還可以打破常規進行創新，思考如何利用最自然的行為實現交互動作，通過直接高效的操作將行為與結果直接聯系起來，在產品的功能反饋上還可以考慮多感官形式的體現。

四、結語

實體界面交互順應著時代需求而萌生，為產品設計帶來了有價值的轉變，但在某些方面卻不一定適用，它在實現操作高效便利的同時，也存在著一些局限和不足，本文對實體界面交互的發展變革、產品實例分析等進行介紹，以相關理論框架為基礎，提出了一系列產品設計實踐中的設計方法與流程，為將來可能的產品設計應用提供了一定程度的參考依據。■