基于普適計算的無界面交互設計研究

摘要：伴隨著物聯網時代的來臨，計算設備與環境逐漸融為一體，無界面交互成為人機交互的重要趨勢之一。無界面交互即無實體或虛擬可視界面的交互。本文從無界面交互的現狀、概念定義以及在普適計算理念下的實際應用等方面進行了研究。通過文獻綜述、案例分析等方法對無界面交互進行定義和分類，并提出無界面交互設計策略。無界面交互設計策略的要點是：感知情境，適應用戶，貼近自然交互行為和最小化干擾以融入環境。結論未來是讓環境成為自然交互的載體，信息重新成為人機交互的主角。

關鍵詞：普適計算無界面交互 非可視化人機交互 交互設計 情境感知 用戶體驗

中圖分類號：TP47

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 07-0100-04

一、普適計算

物聯網時代來臨，智能設備層出不窮，數據量呈指數型上升，新技術不斷催生數字化革命，為普適計算（Pervasive computing/Ubiquitous computing）的發展創造了良好條件。“普適計算”由馬克，維瑟在1991年《科學美國人》（Scientific American）雜志上刊登的“The Computer for the 2lst Century”—文中提出。馬克·維瑟（MarkWeise）認為獲取信息所需的交互與信息量之間平衡且最佳的狀態是減少交互，技術應以不顯眼，不打擾的方式給予用戶支持[1]。普適計算強調計算設備與環境融為一體。提倡讓人機交互隱匿和不可見，但用戶可以在需要的時候在任意時間和地點以任意方式獲取信息。

二、無界面交互

（一）無界面交互的定義：“無界面交互”（ No Interface design）一詞來源于”Golden Krishna所著《無界面交互：潛移默化的ux設計方I略》（The Best Interface Is No Interface： The Simple Path to BrilliantTechnology）一-書，作者在書中提出明確觀點，“最好的電腦是無形的。最好的交互是自然的。最好的界面是沒有界面[2]。無界面交互即無實體或虛擬可視界面的人機交互[3]，又稱為非可視化人機交互。人在無界面交互中處理來自聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等單一或多重感官的信息。無界面交互的應用體現在諸多方面：腦機交互、智能聯網設備、智能家居，智慧城市等。

（二）研究意義：計算平臺和技術的演進是交互方式最主要的推進要素之一。自個人計算機普及以來.人機交互的主要方式經歷了鼠標鍵盤、圖形界面、智能觸屏等階段，每個階段所能呈現的交互帶寬都比上一個層級有所增加。我們當前正由互聯網時代向普適計算時代遷移，物聯網（lnternet of Things，IoT）設備逐漸變得無處不在，計算機融入到生活的方方面面。隨著智能傳感、人工智能等領域技術的進步和人機交互的發展，無界面交互出現并成為界面交互的下一個階段，如圖1。

與無界面交互相對應的是圖形用戶界面（Graphical UserInterface，GUI）交互。簡稱界面交互。界面交互是以圖形方式顯示的計算機操作界面。自施樂帕克研究中心（Xerox PARC）在1973年設計出世界上第一個圖形用戶界面，到Windows、Mac OS等搭載于個人電腦的桌面操作系統普及以來，界面交互一直是人與計算機交互的主要方式。界面交互適用于向用戶呈現大量精細信息的特定場景，但其與生俱來的缺陷在于必須依托可視化的界面與用戶交互。設計隱喻的偏差，人機語言的差異和信息傳輸的延遲等都可能讓界面交互變得不那么自然。

對于當前大部分基于界面交互的軟件應用而言，設計出讓人沉迷的產品的商業目標逐漸取代了以提升用戶體驗和價值為核心的目標，L/Twitter為例，2014年的一篇分析文章中指出，“Twitter最核心的增值杠桿是用戶訪問量、市場占有率和用戶在界面停留時間的長短”。然而，技術和設計應為人服務并引導人更好地生活，好的交互設計的目標不是讓人成癮，而是以優雅快捷的方式滿足人們的需求。美國科學家Alex Capecelatro也曾提出，“用戶界面不是必須的，可視化用戶界面只有通過正確實例的應用才有意義，過度使用界面會增加用戶操作的額外步驟。”

基于視覺交互（如屏幕）的界面設計容易造成信息過載、層級過多和界面疊加，有時無法很好地解決人在處理多任務的復雜線下場景時遇到的問題。需要跳出傳統界面設計的思路，以用戶體驗為核心，提出更直達用戶目標的解決方案。無界面交互的優勢，一方面體現在可以簡化操作流程（如圖2），提升工作效率，貼近自然交互的規律，具備天生的親和性。另一方面，無界面交互領域的研究目前仍處于初始階段，可以在其中做更多可行創新，為考慮解決用戶遇到的困難來設計解決方案，創造更多提升人愉悅感和幸福感的設計和環境。

（三）研究現狀：無界面交互從2013年左右開始受到學術界和產業界一定程度的關注，相關的學術研究和設計實踐相繼出現。

學術理論建設方面，Golden Krishna在《無界面交互：潛移默化的UX設計方略》一書例舉了界面交互的弊端，并提出“設計的重心應當由界面轉向對用戶真實的個性化需求的滿足，無界面交互是設計的未來”。Uwe Hansmann和M.Satyanarayanan[4]等學者的研究支持“人機交互應該是透明的或隱藏的”。ARGODESIGN的創始人Jared Ficklin在2017年三星開發者大會的演講《沒有用戶界面的設計未來》1中分析研究成果，認為智能語言助手等智能產品的普及將改變用戶體驗的深度和廣度，未來的界面交互將逐漸簡化和減少。國內目前針對無界面交互的學術研究較少。華東理工大學的翟文雪和于煒在《無界面交互設計研究》—文中提出無界面交互的應用對于特定人群（如視覺障礙者）具有較大價值，好的交互設計需要跳脫出界面設計思維，以最契合的交互方式呈現最優的方案。

設計實踐方面，互聯網界的巨頭亞馬遜、微軟、谷歌、蘋果和物聯網行業領頭的華為、英特爾等公司在著力研究普適計算的應用和無界面交互，以促進產業持續發展。在各國政策的推動下，SG、物聯網和智慧城市正在加速建設，致力于通過物聯賦予萬物感知，創造普適計算下計算設備與環境融為一體的世界。

（四）無界面交互的分類：筆者在對現有的產品和技術進行研究歸納后，按照交互范圍和設計目標的不同對無界面交互進行了分類（如圖3），分別是“無場景直接”無界面交互，“需求場景類”無界面交互和“環境場景類”無界面交互”。

1.無場景直接交互：“無場景直接”無界面交互即不通過環境介質，借助一定的技術直接進行信息傳輸的人機交互。無場景直接交互的典型案例是人機交互領域的腦機接口（ Brain-computer interface.BCls or Brain-machine.nterface，BMls）。腦機接口在人與外部設備間創建用于信息交換的連接通路，通過侵入式、半侵入式或非侵入式的方式讓人直接用思想控制機器。無場景直接交互是隱私性極高且最接近自然無感的無界面交互方式。

針對腦機接口的研究目前尚在初始研究，但不斷取得突破。2019年7月，Neu ralink公司宣布成功開發出通過在人腦中植入芯片和微型傳輸線等并可以直接通過USB-C接口讀取大腦信號的“侵入式”腦機接口系統，系統具有微創、高信息傳輸量的特點，如圖4和圖5。

美國卡內基梅隆大學（CMU）的教授賀斌等人設計出首個成功的非侵入式意念控制機械臂，試驗者可以通過意念控制機器臂連續、快速地運動（如圖6）。加州大學舊金山分校（UCSF）的團隊通過腦機接口實時地從大腦信號中解碼出入感知（聽到）和產生（說出）的語音，將提取內容轉換成文本，準確率均在50%以上。

2.需求場景類交互：需求場景類無界面交互以完成人的實時需求為導向，利用人類五種不同的感官中的聽覺、觸覺、嗅覺、味覺和以上幾種感官的混合，創造第三維度的感知系統，創建無界面交互。

以基于聽覺的無界面交互設計案例為例。英國思克萊德大學的Andreas Komninos等人在2012年設計和驗證了一種基于聽覺的混合現實導航系統，系統使用音頻結合氣味的概念方式給予游客非可視化的導航（如圖7）。

設計者用3D音頻的恒定音頻流模擬人的腳步聲，以聲音的方位對應導航的方向，以系統音量的高低對應用戶距離導航路線的遠近。導航結束后，用戶反饋導航效果和交互過程自然流暢，實驗結果驗證了無界面交互導航的可用性。

隨著技術迅猛發展，人們除了借助自身的感覺器官獲取外界信息，在很大程度上也依賴各種各樣的傳感器在自然、日常生活和生產領域中獲取更準確和豐富的信息。傳感器（ Sensor）作為人類感覺器官的延伸，不斷收集、傳遞和處理海量的數據信息，也被廣泛地應用在無界面交互中。

例如Google設計的新型交互傳感器Soli，其中的小型雷達芯片被改造成高速和高精度的動作追蹤傳感器，讓人可以在不觸碰實物的情況下控制智能產品。通過對人手控制的對象的形態、大小和軌跡的分析，模擬人控制虛擬物體時作用在上面的力，并在虛擬世界產生和現實世界相對應的自然操作效果。例如感應手指的滑動來控制音量，以兩指間的碰觸動作模擬點擊（如圖8）。通過數據搜集、行為分析和計算反饋，創造出不可見的“操作屏幕”，

上海大學的朱燁晨利用紅外傳感器設計出對氣味敏感的手表“oWatch”，手表可以將嗅覺信息通過聽覺等維度展現出來，給予嗅覺缺失者“嗅覺”相關的情感體[6]。沒有圖形界面的Jawbone的up智能手環（如圖9），設計旨在無縫融入使用者的生活，簡單操作即可完成和手環間的自然交互。通過按鈕和彩色狀態指示燈顯示狀態，通過傳感器實時記錄使用者日常活動和運動數據。

麻省理工學院（MIT）將模塊化的分布式電子傳感器嵌入到彈性織物，開發出智能紡織品E-TeCs。內置的傳感器讓E-TeCs可以準確讀取數據并監測人的生命體征（如溫度、呼吸和心律），這一創新可用于個人健康管理和遠程醫療等領域。借助人自身的感官和傳感器的輔助，大量的計算設備以無界面交互的形態實現完整功能。越來越小型甚至微型的處理設備和傳感平臺通過手持/穿戴或內置在任意的物理空間中，深入不同的需求場景。

3.環境場景類交互：環境場景類無界面交互的實現依托于物聯網，物聯網將日常對象（可穿戴產品，智能設備，車輛，建筑物等）與嵌入式電子設備，軟件和傳感器連接起來，實現環境場景內多設備間數據的傳輸。環境場景類無界面交互是最接近普適計算理念的設計之一。伴隨智能終端和云平臺架構的發展，從智能家到智能化物聯化的公共場所等，提供的不再是具體的單一的產品，而是一種無障礙的生活環境和無限拓展的可能性。

智能場所（ Smart Places）作為環境場景類無界面交互在現實世界中的應用，具備環境整合和跨平臺和設備的能力，正逐步成為人機交互的新環境。智能場所大致可分為室內空間（如智能家居，見圖11）和室外公共環境（智慧街道、智慧城市等）。

以智能家居為例。相比利用遠程或實時語音，按鍵/屏幕控制多設備的當前發展階段，更理想的智能家居場景結合傳感器，智能算法和物聯網，以智能感應和設備主動調節操作取代傳統的“遙控器”。記錄和順應用戶的使用習慣，幫助人以更自然無感的交互方式控制家中的智能產品（如智能燈、智能門、家庭服務機器人等）。實現人從室外進入室內，隨身的音樂播放設備從耳機無縫轉換到家庭音響系統等自然交互。

智能公共場所通過集成光纖，移動網絡等構成的基礎架構和系統為各種服務和應用提供靈活的，可擴展的支持。充分利用大數據，全面了解用戶所處的現實情境，實時響應狀態更新，提升在環境中工作，生活和社交的人的生活質量。

工具和智能設備都是人的功能的延伸，如果將昕有設備看作是一個整體。環境場景則相當于一臺分體式設備，設備擁有多個不同大小的屏幕，有不同位置的多種傳感器和不同的私密性等級。在多設備間建立統一的心智模型，讓信息在不同設備間自然流動和表達，達成如同同一個設備的效果。環境場景類無界面是讓整體環境場景感應所有動態變化并給出及時反饋，給予用戶全方位的支持，減少繁瑣的和容易出錯的交互步驟，創造出直接、自然和隱性的交互[7]。

三、設計策略研究

無界面交互的最終目的，是帶來無感、便捷的，與環境融為一體的設計，更是引領人們接納更自然的生活方式。交互設計設計的不僅是產品，更是一種良好自洽的生活方式。辛向陽在《設計的蝴蝶效應：當生活方式成為設計對象》一文中提出，如若將生活方式作為設計對象，需要考慮生活中無處不在的體驗（ Experience）和“行為（ Behavior）、環境（Environment）、價值觀（Value）”這三個基本的要素嘲。無界面交互導向新的設計理念，引導新的生活方式，以不顯眼，不打擾的平靜方式下給用戶賦能。

通過個體行為主導、價值觀引導和環境支持，充分地圍繞構成交互的五要素：人（ people）、動作（actions）、工具（means）、環境（contexts）和目的（purpose）來推進無界面交互設計[9]。通過反思、重構和行動，使交互方式不斷朝著更自然、便捷和趨近人類本能的目標演變，促進人以自然的行為方式生活。

通過研究，筆者基于“生活方式設計三要素”和“交互設計五要素”理論提出無界面交互的設計策略，分別是：感知情境，適應用戶（sense the situation and adapt to the user）……最小化干擾以融入環境（ Minimize interference to integrate into the environment）

（一）感知情境，適應用戶：感知情境以適應用戶，即圍繞用戶的行為自動改變系統的反應。隨著科技的發展，計算機比以往任何時候都能更好地聽、看、讀懂和理解人類。人機交互的發展從“以設備為主”到“以人的需求為核心”，從‘人適應技術”發展為“技術適應人”且盡可能滿足個性化需求。

情境感知（context awareness）即通過傳感器等技術讓設備感知用戶所處情境，了解用戶行為動機等，自適應地改變交互方式和場景，主動為用戶提供服務。

通過科學算法達到對使用頻次、優先級和場景、用戶情況的全面了解，不斷提升自適應功能的準確性、穩定性和預測性。—方面，利用大數據分析用戶信息，結合當前場景建立個性化的用戶畫像。另一方面，讓機器由“被動”到“主動”，通過對用戶使用情境和習慣的了解，主動學習以適應用戶的行為習慣，創造主動交互，從而滿足用戶情感和感官的雙重需求。例如Google的Nest Thermostat E系列家用恒溫器，在安裝的前期可以記錄用戶數據，學習和分析用戶行為，持續使用一段時間后可以進行主動的智能化的溫度適應和調節。

（二）貼近自然交互行為：無界面交互充分發揮了人機交互中的“隱喻（metaphor）”概念。運用人所熟悉的客觀世界中的元素，隱喻虛擬現實世界中的事物，以抽象的語義傳遞現實事物。人可以調動現實物理世界中的認知和經驗解讀信息。前文中提到的Google的新型交互傳感器Soli就是貼近自然交互行為的典型案例——借由物理世界中的操作經驗，讓用戶在沒有針對Soli的直接操作經驗的前提下也可以快速上手。

為達到自然交互的效果，需要設計符合人的心智模型。以蘋果的AirPods無線耳機為例，耳機內置紅外傳感器可感應其位置，只需要從充電盒中拿出后置入耳中，便可切換到連接模式，自動播放音樂。AirPods改變了過去傳統的藍牙耳機需要通過設置來回切換以找到對應連接的繁瑣流程。

隱喻越貼切，越被人所熟悉，人機交互就越自然。搭載構建無界面交互產品所需的最佳且精煉的信息和通道，以達到高效、無感、貼合自然交互行為的目標。同時，運用恰當的能解決問題的且所需的最少的技術，避免陷入技術崇拜和技術堆砌的誤區。

（三）最小化干擾以融入環境：“融入環境”即將信息推向外圍，真正從人的角度去設計周邊環境與人的交互過程，創造與環境融為一體的設計和體驗。人是交互的主體，工具、媒介和環境是交互的客體。現代心理學的研究成果顯示：人與周邊環境的自然交互過程通常是直覺的、習慣性的甚至無意識的。普適計算的環境下，物理世界與信息空間高度融合[10]，人機交互逐漸變得隱匿和不可見，通過設計減少干擾，將用戶的注意力降到最低，讓計算設備在背景中運行。

人機交互過程的本質是人機間的信息交換。信息設計的先驅愛德華，塔夫特（Edward Tufte）曾說過，“過載、混亂和困惑并不是信息的特質，而是設計的失敗”，人的本性是制造和接受省時省力的工具，交互的核心是信息的有效傳遞。減少干擾的方式有兩種，其一是最簡化信息。最簡化信息，是以最優化信息交換為中心，提升人作為自主意識的主體在整個人、機和環境系統中的能動性和適應性。

其次是最小化用戶注意力，在此引入“中心注意力”和“邊緣注意力”的概念。人的注意力可分為中心注意力（center attention）和邊緣注意力（ peripheral attention），兩種注意力同時并存且可以相互轉化。舉例來說，老式的燒水壺在燒水的過程中始終處于環境背景中。并不占用用戶的中心注意力。但水壺內的水燒開后會發出聲響提醒用戶，人在聽到聲音后對水壺進行操作，此時人原本對水壺的邊緣注意力轉化為中心注意力。

無界面交互的設計需要最小化外界對人的干擾，更多地讓產品和系統融入環境背景，以減少對用戶中心注意力的占用。讓提供功能的產品和系統在不被需要時隱匿不可見，只有當用戶需要時才出現。達到人的有限注意力和吸取注意力的產品之間的平衡，讓人們可以用最少的注意力實現目標。

四、機遇與挑戰

可聯網的設備和智能軟硬件層出不窮。美國惠普公司預計2020年有近500億臺設備接入移動互聯網，至2030年這一數據將增至—萬億臺[11]。深入場景、全方位感知、自然且解放雙手的無界面交互正成為人機交互未來發展的重要方向之一[12]。伴隨著第五代移動通信網絡（5G）的逐漸覆蓋，以及對物聯網數據的開發利用，新一代操作系統、交互技術和下一代計算平臺出現后，無界面交互的影響范圍將進一步擴大。但無界面交互的發展也遇到了一定的挑戰。

首先，界面交互已經十分普及。在從傳統的界面交互到無界面交互轉變的過程中，希不斷提升產品和系統的設計，在使用過程中持續培養用戶習慣，讓用戶逐步地適應無界面交互的方式。以亞馬遜智能家居入口之一的Echo智能音響為例。Echo僅提供語音交互方式，將揚聲器和麥克風作為交互接口。產品對交互方式的限制保證了語音交互的純粹性和持續性，培養出用戶使用語音與Echo交互的習慣。人機交互的習慣養成后，用戶會持續地以特定的交互方式與設備互動。

其次是用戶隱私和數據安全的問題。物聯網的時代，數據的安全和用戶的隱私問題變得更加凸顯。通過區塊鏈等技術輔助數據的保存和加密，采取對個人敏感信息進行本地保存等措施，以建立用戶信任。

另外，無界面交互需要因時制宜，因地制宜。由于人的五感范圍有限，例如由干人眼有限的可視范圍，基于屏幕的界面交互天生具備一定的隱私加密性。但是無界面交互的無界面交互的交互方式眾多，在合適的用戶場景下選擇合適的交互方式變得更加重要。例如，在設計時需充分考慮語音交互及大幅度的動作交互是否適合應用在一些擁擠嘈雜的室外場景。

結論

物聯網時代的數字化轉型正在為無界面交互創造機會，技術和人文的進步，不斷推動無界面交互的發展。馬克，維瑟曾說過，“影響最深刻的科技能隱藏起來，不被辨別出，卻實際存在于日常生活的千絲萬縷中”。設計應該強化科技和人性最好的一面，幫助人專注于真正重要的事隋，促進入性自然發展。

The Best Interface Is No Interface.最好的界面是沒有界面，最好的設計直達人心，沒有邊界。交互設計的最終目標是讓任務變得簡單，使信息重新成為交互的主角。無界面交互滿足輕量化和微型化的需求和趨勢，覆蓋全面的生產、生活和自然場景，順應人機自然交互，充分體現了普適計算的理念[13]。直到萬物互聯，人們生活的環境和場所成為一個完整的、智能的和閉環的無界面交互系統，設計與產業全面融合，創造出良好社會秩序和美好生活。.

注釋

1 2017 Session： Future Desigph No UI. https：，^vwwyoutube.com^vatch？HJ7fb4tHmGk

參考文獻

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圖片來源

圖4、5 Neuarlink官網

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