產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標體系構建研究

摘要：文章以認知耦合理論為視角，建立科學合理的產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標體系，以客觀真實地量化產品形態仿生設計中的認知耦合問題。結合認知耦合的理論背景，闡述認知耦合度評價在產品形態仿生設計中的意義。通過文獻研究法、歸納法，總結現有認知耦合分類，并從心理空間認知耦合、交互空間認知耦合、表征空間認知耦合這三個維度對產品形態仿生設計進行分類，并作為一級指標，針對不同的分類歸納相應的二級指標，其中心理空間包含保真度與復雜度，交互空間包含平衡性與一致性，表征空間包含凸顯度、簡潔性、傳承度、相似度與審美性，從而構建評價指標體系。在收集評分數據的基礎上，利用層次分析法計算出各指標權重系數，并通過最大特征根和一致性指標對其進行一致性檢驗，形成了評價指標體系。文章總結了產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標體系，填補了現有研究的空缺，能夠為其他學者進行認知耦合度評價提供參考。

關鍵詞：認知耦合度；產品形態仿生設計；評價指標體系；層次分析法

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）09-0-03

0 引言

隨著全新消費時代的到來，消費者的需求發生了變化。人們不再滿足于基本功能，而是更加關注使用產品時的情感需求。產品形態仿生設計過程中，存在認知耦合的模糊性，導致設計師無法準確地將產品的內涵情感傳遞給用戶。因此，如何更好地將內涵情感等相關信息準確地傳遞給用戶，成為設計師主要思考的問題。

認知耦合是指用戶的認知特征與外在系統相應的認知特征之間的關系。用戶基于自身經驗，通過聯想與設計的產品形態進行認知交互，達到交互穩定時即滿足了用戶的需求［1］，達到這種狀態的程度即認知耦合度。如今，設計人員往往根據直覺評價產品形態仿生設計中的認知耦合度，具有偶然性。須將其轉化為更科學客觀的定量評價，以科學地指導設計。

1 認知耦合與產品形態仿生設計

認知耦合是克拉克基于擴展認知理論提出的概念［2］。用戶在驅動認知過程中發揮正確的作用時認為其認知發生了擴展［3］，而當認知擴展過程中用戶的認知特征與系統相應的認知特征之間形成穩定的動態平衡時，則形成認知耦合。斯蒂格［4］等在2013年提出交互認知框架，任小帆［5］48-50在此基礎上進行總結，提出交互認知耦合模型。心理空間中影響認知耦合強度的要素為用戶的認知特征與認知活動，交互空間中為用戶與外在系統的交互要素與交互行為，表征空間中為可調節的視覺要素，計算空間中主要為用戶與外在系統組成的交互系統［5］56-57。

產品形態仿生設計是設計師將情感滲透進產品中，以此塑造產品形態的重要方法之一［6］。因此，基于認知耦合的產品形態仿生設計即在設計產品的過程中從用戶與外在系統這兩方面綜合考慮，通過產品這項媒介實現用戶對產品形態的認知與用戶對生物特征認知的耦合，達到用戶對產品的期待。

2 產品形態仿生設計中的認知耦合度評價

認知耦合度反映了用戶認知特征與外在系統認知特征的感知交互狀態的程度，認知耦合度評價本質上是將用戶認知特征與外在系統認知特征進行量化匹配的評價結果。本文通過歸類總結分析產品形態仿生設計的認知耦合度一級與二級評價指標、計算評價指標權重的系數，建立產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標體系。

3 產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標確立

3.1 一級評價指標選取

認知耦合程度的量化評價，可有效提升用戶與外在系統的信息認知匹配程度，方便設計師尋找賦予產品情感的途徑，實現產品與用戶的情感共鳴。認知耦合屬于用戶認知特征與外在系統認知特征進行認知交互的產物，該過程屬于復雜的認知活動，即內部心理空間與外部環境的認知活動［7］。羅仕鑒等［8］通常以綜合和動態的方式組合處理來自內部和外部表示的信息。

本研究綜合分析現有的研究成果，根據認知契合性、系統性、功能性、數據易取性的原則選取各級指標。認知契合性指評價指標應與用戶的認知特征密切相關，系統性指評價指標應能較全面地反映被評價對象系統的整體性能和特征，功能性指評價指標的可觀測性及觀測成本的問題，數據易取性即指標數據的獲取和計算過程應相對容易。

本文整理和歸納了國內基于認知耦合的產品設計評價研究中較為成熟的指標體系。劉曉梅等［9］提出形態耦合、結構耦合、材料耦合、行為耦合、特性耦合，張阿維等［10］提出物理特征認知耦合、心理特征認知耦合，蘇建寧等［11］提出復合意象認知耦合，陸冀寧等［12］提出造型意象認知耦合，任小帆［5］56-57提出心理空間認知耦合、表征空間認知耦合，朱赫［13］提出形態認知耦合、意象認知耦合，許永生等［14］提出生物美感認知耦合、實用功能認知耦合、象征語意認知耦合，賀改梅等［15］提出造型認知耦合、語意認知耦合，張有為等［16］提出造型美感耦合度、結構功能耦合度、象征語義耦合度。

發現一級指標中象征語意耦合、語意耦合等均隸屬于心理空間認知耦合，結構耦合、實用功能耦合等均隸屬于交互空間認知耦合，形態耦合、生物美感耦合等均隸屬于表征空間認知耦合。基于此，本文選擇心理空間認知耦合、交互空間認知耦合與表征空間認知耦合作為該評價指標體系的一級指標，分別記為B1、B2、B3。

3.2 二級評價指標選取

選取各一級指標下的二級評價指標。

3.2.1 心理空間認知耦合

在認知形態仿生設計的產品時，用戶會通過視覺感受器觀察產品外部特征，生成其主要外部特征的感受，并與意象相互匹配，生成認知意象。反映產品外部特征中最核心生物特征屬性的認知意象，即核心意象。由多個認知意象形成的認知意象組則為多重意象。當用戶能優先識別出產品的核心意象時，會聯想溯源至對應的生物原型，從而形成精確的認知匹配，即認知的保真度；而當用戶能準確識別多重意象時，則會對產品建立更立體的情感，產生強烈的情感共鳴，即認知的復雜度。

綜上，本文將保真度與復雜度定為心理空間認知耦合維度的二級指標，分別記為C1、C2。

3.2.2 交互空間認知耦合

用戶在認知事物時，不僅通過產品形態的視覺要素感知信息，而且通過產品的交互行為與產品互動，并與記憶中仿生生物行為或結構關系匹配，此類形成感知的過程即交互認知。設計師在設計過程中應保持產品的交互行為與用戶對與其對應的仿生生物的行為或結構關系認知一致，促使用戶形成認知匹配，即認知的一致性；同時，在形態仿生設計中，產品的功能由產品本身功能及仿生生物的行為或構造結構決定，產品的形式由產品自身結構及其所借鑒的仿生生物形態特征決定。設計師應當在設計中實現兩者的平衡取舍，在保證產品適用性的同時充分傳達產品的內涵特征，即認知的平衡性。

綜上，本文將平衡性與一致性定為交互空間認知耦合維度的二級指標，分別記為C3、C4。

3.2.3 表征空間認知耦合

（1）用戶在認知事物時，一般會重點關注事物的主要特征，即事物的核心特征，而較少關注其次要特征區域。設計師在設計產品時要讓產品形態中仿生生物核心特征的區域在整體形態中處于更易感知的狀態，以降低用戶的識別難度，即核心特征的凸顯性。

（2）為使用戶高效識別生物特征信息，理解產品內涵，在產品形態仿生過程應提取一定數目的生物特征并應用于產品形態的主要區域，以此達到吸引用戶注意的目的，避免因特征過多干擾用戶識別，即產品形態的簡潔性。

（3）在認知事物的過程中，用戶會憑借感受到的事物獨有的特征，在認知系統中匹配事物原型，從而達到認知事物的目的。當再次遇到相似的刺激時，依然能夠憑借認知系統識別客觀事物。產品形態仿生設計中通過產品形態對生物特征的繼承提取，轉譯為用戶可認知的設計語言，即形態特征的傳承度。

（4）自然界的事物擁有獨特的美學特征，通過仿生設計，保持仿生生物原有的美學特征，即視覺要素的審美性，以保證產品形態符合用戶的審美。

（5）生物的形態是生物生命內涵信息的表征載體，生物生命的內涵信息通過仿生設計與產品形態中的視覺要素匹配，即視覺要素的相似性。

綜上，本文將凸顯性、簡潔性、傳承度、審美性與相似性定為表征空間認知耦合維度的二級指標，分別記為C5、C6、C7、C8、C9。

4 產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標的權重確立

4.1 指標權重計算

指標權重系數指各指標對評價結果的影響程度［17］，所有評價指標權重的系數和為1。任英麗等［18］采用層次分析法排序評價指標權重的系數大小。不同指標對產品形態仿生設計中的認知耦合度評價的影響程度不一致，須確定其影響程度大小，計算各項權重，合理評價。

本研究采用層次分析法，邀請5位相關領域專家對各級指標的兩兩相對重要性進行評價，借助Yaahp軟件處理數據，確定最終指標權重［19］123-124。其中一級指標B1為0.32，B2為0.29，B3為0.39；二級指標C1為0.11，C2為0.19，C3為0.09，C4為0.18，C5為0.08，C6為0.10，C7為0.10，C8為0.09，C9為0.06。

綜合來看，表征空間認知耦合權重較高，交互空間認知耦合權重較低。說明用戶對產品形態仿生設計的認知著重在視覺感受，其次是心理意象。二級指標中，保真度和一致性權重較高，凸顯性和相似性的權重相對較低。說明保真度和一致性較為重要，專家更加關注產品與生物核心意象的匹配及產品交互行為與生物的匹配。

4.2 一致性檢驗

對判斷矩陣采用一致性檢驗。求出各矩陣的最大特征根λmax和一致性，指標CI=（λmax-n）/（n-1），一致性比率CR=CI/RI，λmax小于0.1即為通過一致性檢驗［19］124-126。由此，確立評價指標體系。結果顯示λmax均小于0.1。

5 結語

本文從認知耦合理論入手，研究了產品形態仿生設計的認知耦合度評價指標體系。通過系統梳理現有理論和實踐研究，結合層次分析法，得到了產品形態仿生設計中的認知耦合度評價指標體系，包括心理空間認知耦合、交互空間認知耦合、表征空間認知耦合3個維度9項指標及其權重，量化認知耦合度。根據評價指標體系，現階段產品形態仿生設計中的認知耦合度受到用戶的心理感受與交互認知影響，尤其是心理認知的復雜度、交互認知的一致性、心理認知的保真度。本研究也存在不足，各級指標的選取具有一定的主觀色彩，且部分指標數據的可獲得性需重新考究，后續研究將進一步細化和完善。

參考文獻：

［1］ 羅仕鑒，朱上上.用戶和設計師的產品造型感知意象［J］.機械工程學報，2005（10）：28-34.

［2］ 克拉克，查爾默斯.擴展思維［J］.分析，1998，58（1）：7-19.

［3］ 科倫坡，歐文，斯臺普爾頓M.安迪克拉克和他的批評者［M］.牛津：牛津大學出版社，2019：123-125.

［4］ 斯蒂格，帕森斯.基于視覺表征的復雜認知活動交互設計：一種基于模式的方法［J］.人機交互學報，2013，5（2）：84-133.

［5］ 任小帆.大數據可視化交互模式構建方法與設計［D］.南京：東南大學，2019：48-50，56-57.

［6］ 孫寧娜.仿生設計［M］.北京：電子工業出版社，2014：5-6.

［7］ 斯蒂格，帕森斯.以人為本的可視化手冊［M］.紐約：斯普林格出版社，2014：693-715.

［8］ 德瓦勒M.管理風格與決策輔助設計［J］.歐米茄，1978，6（1）：5-13.

［9］ 劉曉敏，王建輝，李嬌蓉，等.基于生物原型的產品創新設計［J］.中國工程機械學報，2017，15（6）：504-512.

［10］ 張阿維，高小針，陳彥蒿，等.基于認知耦合的產品造型仿生設計研究［J］.機械設計，2018，35（6）：120-124.

［11］ 蘇建寧，陳彥蒿，景楠，等.產品意象造型設計中的耦合特性研究［J］.機械設計，2017，34（1）：105-109.

［12］ 陸冀寧，徐伯初，支錦亦，等.高速列車頭型的意象仿生設計［J］.機械設計，2017，34（9）：106-110.

［13］ 朱赫.基于認知耦合的產品意象形態仿生進化設計方法［D］.蘭州：蘭州理工大學，2018.

［14］ 許永生，李麗麗，王超，等.耦合仿生在產品造型設計中的應用研究［J］.機械設計，2019，36（8）：140-144.

［15］ 賀改梅，王時英.基于認知耦合的加濕器設計［J］.包裝工程，2021，42（10）：157-162，185.

［16］ 張有為，孫虎.基于形態仿生的海上溢油回收裝置設計與評估［J］.圖學學報，2022，43（5）：927-935.

［17］ 潘萍，楊隨先.產品形態設計評價體系與評價方法［J］.機械設計與研究，2013，29（5）：37-41.

［18］ 任英麗，王子躍.產品意象仿生設計中的耦合邏輯研究［J］.機械設計，2019，36（8）：130-134.

［19］ 張曉宇，薛翔，朱慶華，等.移動政務服務App適老化設計的評價指標體系構建及實證研究［J］.情報資料工作，2023，44（2）：124-126.

作者簡介：陳榕（1998—），男，江西贛州人，碩士在讀，研究方向：認知耦合。