嗅覺信息化產(chǎn)品的發(fā)展綜述及其設(shè)計研究

孫曉天

【工業(yè)設(shè)計】

嗅覺信息化產(chǎn)品的發(fā)展綜述及其設(shè)計研究

孫曉天

（北京交通大學(xué)，北京 100025）

目前物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)主導(dǎo)下的工業(yè)設(shè)計不再只為視聽服務(wù)，未來多感官設(shè)計成為新的趨勢。為探究嗅覺信息化產(chǎn)品設(shè)計的需求和研發(fā)要素，尋找嗅覺信息化產(chǎn)品的設(shè)計思路和未來發(fā)展方向。通過對嗅覺信息化產(chǎn)品的歷史發(fā)展進(jìn)行綜述，以現(xiàn)有嗅覺信息化產(chǎn)品的需求場景，實現(xiàn)技術(shù)及產(chǎn)品形態(tài)為研究對象，結(jié)合感官設(shè)計及交互體驗設(shè)計展開探討，分析總結(jié)現(xiàn)有科技手段下進(jìn)行嗅覺信息化的設(shè)計思路與方向。未來嗅覺信息化必將介入工業(yè)設(shè)計，其應(yīng)用前景廣闊，不僅幫助產(chǎn)品實現(xiàn)功能性創(chuàng)新，而且豐富了大眾完整體驗的過程，更緊密聯(lián)結(jié)人與設(shè)計的關(guān)系，符合我國新時代下創(chuàng)新設(shè)計的指導(dǎo)思想。

創(chuàng)新設(shè)計；嗅覺設(shè)計；嗅覺信息化

隨著信息時代的發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)主導(dǎo)下的工業(yè)設(shè)計及交互體驗已經(jīng)不僅僅停留在為視聽服務(wù)。在新時代的創(chuàng)新設(shè)計理念中，已提出了多種感官綜合體驗才是工業(yè)設(shè)計的最終目的[1]。在感官設(shè)計中我們早就發(fā)現(xiàn)，視聽體驗的信息化非常成熟并應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而對嗅覺的信息化卻還在探索階段。文中通過對嗅覺信息化產(chǎn)品的歷史發(fā)展進(jìn)行綜述，探究嗅覺信息化產(chǎn)品需求、研發(fā)方向及設(shè)計目標(biāo)，尋找嗅覺信息化產(chǎn)品的設(shè)計思路和未來發(fā)展方向。

1 嗅覺

嗅覺是唯一不經(jīng)過下丘腦的感覺器官，是一種由感官感受的知覺。它由兩種感覺系統(tǒng)構(gòu)成，即嗅神經(jīng)系統(tǒng)和鼻三叉神經(jīng)系統(tǒng)。嗅覺是一種遠(yuǎn)感，即通過長距離感受化學(xué)刺激的感覺。沒有嗅覺，單細(xì)胞生物就無法覓食，也無法區(qū)分易消化和不易消化的食物。原始直觀和不可控制的氣味可能是人類體驗到的最強(qiáng)烈、最有趣的感覺。嗅覺與海馬體、杏仁體緊密相連，關(guān)系著我們的記憶和情感。正因如此，與后期進(jìn)化而來的聽覺和視覺相比，嗅覺與人們的記憶和情感系統(tǒng)的聯(lián)系更加直接[2]。由于氣味圍繞人們并在空氣中擴(kuò)散，大量的小顆粒到達(dá)我們的鼻腔后，形成數(shù)千條消息。因此，人們還不能充分利用嗅覺所提供的刺激和信息。嗅覺是人類感受到最強(qiáng)烈的與情感有關(guān)最原始的感覺，因此，氣味可以在其他任何感覺刺激之前到達(dá)大腦的邊緣區(qū)域。嗅覺是忠實的，它直接與人類聯(lián)系并交換信息[3]。

2 嗅覺信息化

數(shù)字氣味技術(shù)（或嗅覺信息技術(shù)）是處理嗅覺表征的工程學(xué)科，是一種感知、傳輸和接收啟用氣味的數(shù)字媒體（如網(wǎng)頁、視頻游戲、電影和音樂）的技術(shù)。這項技術(shù)的傳感部分通過使用嗅覺計和電子鼻來工作[4]。嗅覺計或電子鼻又被稱為機(jī)器嗅覺，機(jī)器嗅覺是對嗅覺的自動化模擬。它是現(xiàn)代工程中的一個新興應(yīng)用，涉及使用機(jī)器人或其他自動化系統(tǒng)來分析空氣中的化學(xué)物質(zhì)。迄今為止，電子鼻設(shè)備只對有限數(shù)量的化學(xué)物質(zhì)做出反應(yīng)，而氣味是由一組獨特的（可能是多種）氣味化合物產(chǎn)生的。因此機(jī)器嗅覺的發(fā)展變得復(fù)雜，該技術(shù)雖然仍處于發(fā)展的早期階段[5]。

2004年諾貝爾生理學(xué)獎頒發(fā)給美國科學(xué)家理查德·阿克塞爾和琳達(dá)·巴克，以表彰他們在研究人體氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織方面的杰出貢獻(xiàn)。其主要研究氣味和信息素怎樣被鼻子發(fā)覺，再被大腦轉(zhuǎn)化成不同的感覺和行為，清楚地闡釋了人類的嗅覺系統(tǒng)是如何運作的。這使我們終于能夠理解“人類為什么能夠聞到春天紫丁香的香氣，并在未來能提取出這種嗅覺上的記憶?！比祟愑么蠹s超過1 000個基因來編碼嗅覺感受器，而且每個嗅覺感受器基因在結(jié)構(gòu)上與其他基因都不同，所以由這些基因編碼的每個感受器蛋白與嗅質(zhì)結(jié)合的能力也有所不同。同時嗅覺具有群體編碼的特性，每個嗅覺感受器細(xì)胞與不同嗅質(zhì)的結(jié)合程度也不同。一個嗅感受器細(xì)胞可對多種嗅質(zhì)起反應(yīng)，而一個嗅質(zhì)又可激活多種嗅覺感受器細(xì)胞。因此，盡管嗅覺感受器細(xì)胞只有1000種，但它們可以產(chǎn)生大量的組合，形成大量的氣味模式，這就是人們能夠辨別和記憶1萬種不同氣味的基礎(chǔ)[6]。因此這一研究為嗅覺信息化記錄奠定了基礎(chǔ)。

3 嗅覺信息化項目發(fā)展

嗅覺一直難以滲透到數(shù)字化產(chǎn)品媒體中，人們嘗試使其進(jìn)入電影的歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代，迪斯尼樂園開始嘗試在某些景點中設(shè)置氣味。技術(shù)公司也開始嘗試將其添加到視頻游戲和電視中[7]。1933年科幻作家斯坦利·G·溫鮑勃（Stanley Grauman Weinbaum）預(yù)言了未來會出現(xiàn)一種能夠同時模擬觸覺、嗅覺和味覺的VR設(shè)備[8]。

1）1950—1980年。為了激發(fā)人們對電影的興趣，20世紀(jì)50年代和60年代，托德最早研發(fā)了嗅覺視覺系統(tǒng)（Scentovision系統(tǒng)）。最初是由放映員在電影中的特定位置手動釋放各種氣味，如浪漫場景中的花香或槍戰(zhàn)中的煙霧味。但最初的嗅覺視覺系統(tǒng)受許多原因影響未能流行起來，其中最重要的原因是大量相互沖突的、混合在一起的香味充斥了整個劇院，而這一問題至今也是嗅覺在場景應(yīng)用中難以實現(xiàn)的原因[9]。1961年出現(xiàn)了由羅伯特·懷頓·蒙克里夫（Robert Wighton Moncrieff）發(fā)明的特定氣味檢測儀器—機(jī)械鼻。1964年由Wilkens和Hartman創(chuàng)造出第一個電子鼻傳感器，可以檢測和識別氣味和味道[10]。隨著電子鼻傳感器的出現(xiàn)，從1980年開始它被應(yīng)用于包括食品、醫(yī)藥和環(huán)境等領(lǐng)域。80年代之前，電子鼻傳感器技術(shù)還只能對單一氣味進(jìn)行處理。

2）1990—2000年。1997年的一項專利顯示了如何將香精結(jié)合到“虛擬現(xiàn)實”或計算機(jī)游戲中，以創(chuàng)造更加充分的感官體驗。1999年，DigiScents 公司開發(fā)了一種名為iSmell的計算機(jī)外設(shè)設(shè)備，旨在當(dāng)用戶訪問網(wǎng)站或打開電子郵件時釋放氣味。該裝置包含一個帶有128種氣味的“墨盒”，可以將其混合以復(fù)制自然和人造氣味。DigiScents已將數(shù)千種常見氣味編入索引，這些氣味可以被編碼、數(shù)字化并嵌入到網(wǎng)頁或電子郵件中[11]。2003年，TriSenx公司也推出了一種名為 Scent Dome的氣味生成設(shè)備，該裝置從20個充滿液體的氣味膠囊中重新組合氣味，可以產(chǎn)生60種不同的氣味，裝有Scent Dome裝置的計算機(jī)使用軟件來識別嵌入在電子郵件或網(wǎng)頁中的氣味代碼[12]。2004年，Tsuji Wellness公司和法國電信開發(fā)了一種名為Kaori Web的氣味生成設(shè)備，它配備了6種不同的氣味[13]。2005年，一位浙江大學(xué)的學(xué)生設(shè)計了一臺模擬陽光曬干衣物氣味的烘干機(jī)在伊萊克斯設(shè)計比賽中獲獎。XML是一種最早的也是最常見的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，韋爾瓦大學(xué)的研究人員開發(fā)了XML 嗅覺設(shè)備，這是一種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)上可以傳輸氣味的XML協(xié)議[14]。這個時期（代），研究者們已經(jīng)開始嘗試在不同場景下，通過命令控制將不同氣味重組獲得更多的氣味。

隨著智能視覺識別、自然語言處理的發(fā)展，研究者們在這一時期也開始嘗試通過仿生、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行嗅覺信息化的探索。2009年，英國斯科塞斯大學(xué)的Thomas Nowotny搭建了一種基于昆蟲嗅覺的模型來識別氣味，但此技術(shù)僅停留在實驗室內(nèi)[15]。2016年，華盛頓大學(xué)Charles Delahunt研究團(tuán)隊創(chuàng)造出更完整的模型—模仿煙草天蛾嗅覺結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可將氣味信息轉(zhuǎn)化成行為指令。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，由于神經(jīng)層級較少且標(biāo)簽各自獨立，不同于以往需要依靠大量數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)的算法，這種“自然的方法”只需極少數(shù)樣本，就能實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速學(xué)習(xí)，這是仿生嗅覺系統(tǒng)最大的優(yōu)勢[16]。

3）21世紀(jì)10年代。2013年，東京農(nóng)工大學(xué)公布了一項他們稱之為“嗅覺屏幕”的發(fā)明，見圖1。該設(shè)備結(jié)合了一個屏幕和4個小風(fēng)扇，可將散發(fā)出的氣味引導(dǎo)至屏幕上的特定位置。風(fēng)扇運行速度極低，用戶難以感知氣流；還有讓他們認(rèn)為氣味直接來自屏幕和顯示在該位置的物體的錯覺。該設(shè)備可以在96種化學(xué)試劑的幫助下隨時進(jìn)行復(fù)制、混合、加熱和汽化[17]。2013年西班牙工程師Raul Porcar開發(fā)并獲得了Olorama無線系統(tǒng)的技術(shù)專利，旨在將氣味融入電影、虛擬現(xiàn)實和各種視聽體驗中[18]。2015年由畢業(yè)于圣馬丁藝術(shù)學(xué)院的設(shè)計師Amy Radcliffe創(chuàng)建的“瑪?shù)铝铡保∕adeleine）是一款基于“頂空捕捉”的“模擬氣味相機(jī)”，見圖2。該技術(shù)流行于香水行業(yè)，用于分析和重建圍繞各種物體的氣味化合物[19]。2015年一些團(tuán)隊已經(jīng)對氣味的遠(yuǎn)程共享和沉浸式體驗進(jìn)行了更進(jìn)一步地研究。FeelReal推出了可應(yīng)用的VR外設(shè)氣味發(fā)生器。ChatPerf是一個智能手機(jī)端應(yīng)用程序，其致力于氣味通信服務(wù)，使用其智能手機(jī)應(yīng)用程序和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)空間發(fā)送氣味[20]。oNotes由哈佛大學(xué)工程研究所設(shè)計，該項目允許用戶通過OSNAP應(yīng)用程序在其圖片中添加氣味標(biāo)簽，以通過電子郵件和社交平臺共享和發(fā)送圖片的氣味信息，設(shè)計團(tuán)隊希望通過氣味找到與環(huán)境互動的新方法。

圖1 “嗅覺屏幕”

圖2 “瑪?shù)铝铡蹦M氣味相機(jī)

“Molecules that Matter”項目是CRISP研究機(jī)構(gòu)幫助失憶癥患者通過“熟悉的味道”回憶往事來加強(qiáng)記憶[21]。藝術(shù)家Kate Mclean的城市氣味地圖計劃，是把“城市不同角落的氣味”通過體驗的方式標(biāo)記下來，制作嗅覺可視化圖表[22]。2019年，由Google、多倫多大學(xué)等研究團(tuán)隊進(jìn)行了視覺可視化機(jī)器學(xué)習(xí)氣味，提出利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Graph Neural Networks, GNNs），以向量形式代表氣味分子，氣味被標(biāo)記為多個分類標(biāo)簽，使人工智能將單個特定分子與其氣味聯(lián)系起來，為人工智能嗅覺建立基礎(chǔ)[23]。隨著媒介不停地演變，氣味設(shè)備作為搭載設(shè)備從最早期的電影大屏幕發(fā)展到個人電腦、智能手機(jī)及VR設(shè)備。而從2010年開始，對氣味的感知、傳輸和接收等各個方面的研發(fā)都呈現(xiàn)了百花齊放的局面。

4）21世紀(jì)20年代。2020年，OVR Technology推出了他們的Scent?平臺架構(gòu)系統(tǒng)及連接AR或VR耳機(jī)的硬件設(shè)備，供內(nèi)容開發(fā)人員為虛擬現(xiàn)實對象添加氣味觸發(fā)器，有助于為虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)和健康應(yīng)用提供更好的沉浸感和臨場感[24]。英特爾神經(jīng)形態(tài)計算實驗室與康奈爾大學(xué)推出了進(jìn)階版英特爾自學(xué)習(xí)神經(jīng)擬態(tài)芯片Loihi，可以成功識別10種有害氣體。研究人員采用一個由72個化學(xué)傳感器采集的數(shù)據(jù)集，通過配置生物嗅覺的電路圖來“教”Loihi聞味道。Loihi可通過脈沖傳遞氣味信息，利用環(huán)境中的各種反饋信息進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、下達(dá)命令。運用仿大腦嗅覺電路的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制算法，模仿人類聞到某種氣味后大腦的運作機(jī)制[25]。2021年，Pedro Lopes領(lǐng)導(dǎo)的人機(jī)交互實驗室提出一種全新的嗅覺裝置，它能將外部氣味/氣體傳感器的讀數(shù)傳送到三叉神經(jīng)。通過電刺激產(chǎn)生的感覺將嗅覺增強(qiáng)或替代，而不需要在嗅球中植入電極。為了實現(xiàn)這一點，該團(tuán)隊設(shè)計了一個自給自足的系統(tǒng)可以穿過鼻中隔，通過藍(lán)牙與外部氣體傳感器進(jìn)行通信[26]。從2020年開始，氣味已經(jīng)和沉浸式體驗緊密結(jié)合，并在更多氣味探測的電子鼻傳感器研發(fā)上實現(xiàn)了突破。

在國內(nèi)，清華大學(xué)未來實驗室就嗅覺信息化進(jìn)行了相關(guān)探索，包括研發(fā)新型電子鼻，氣味數(shù)據(jù)可視化，及研究電子嗅覺（電子鼻）在物聯(lián)網(wǎng)條件下的實際應(yīng)用[27]。重慶大學(xué)研發(fā)了嗅覺體驗智能測試儀，通過腦電及面部表情參與進(jìn)行嗅覺計算。華東理工大學(xué)也有相關(guān)電子鼻的研究。目前很多電子鼻已在產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用，但大多數(shù)電子鼻都是探測單一氣味，其概念、設(shè)計及構(gòu)造都局限于結(jié)構(gòu)和功能上的仿生，氣味識別過程和能力都非常有限。同時電子嗅覺的重要突破在于傳感器，而相關(guān)的傳感器目前還屬于未被開拓的領(lǐng)域。我們可以看到，目前大多數(shù)的嗅覺計算處于概念化階段。雖然在嗅覺信息化的領(lǐng)域開始引來了科技行業(yè)的目光，但目前大多數(shù)的解決方案都具有局限性，因此嗅覺信息化還處于初期探索階段，但由于信息時代的發(fā)展及大眾的需求，在未來嗅覺交互及信息化的趨勢必然將成為智能化計算的一部分。

4 嗅覺信息化的方式及研究要素

4.1 嗅覺信息化的主要方式

從對單一氣味的檢測或通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記氣味，才經(jīng)歷了短暫幾十年的歷史。通過分析26種包括軟件、硬件、傳感器、實驗裝置甚至包括算法等比較經(jīng)典的嗅覺信息化。人們發(fā)現(xiàn)在嗅覺信息化工作中，建立嗅覺信息化的主要方式有：用戶預(yù)置氣味、氣味標(biāo)簽、模擬單一氣味、氣味編碼及化學(xué)揮發(fā)物特征識別、電刺激氣味受體和頂空捕捉等。其中頂空捕捉是傳統(tǒng)的香水工業(yè)汲取氣味的方式，化學(xué)揮發(fā)物特征識別以電子鼻傳感器為主，電刺激氣味受體目前還停留在實驗階段，為人工智能嗅覺建立基礎(chǔ)。

模擬單一氣味，最早的氣味模擬落地項目可追溯到2006年，美國一個創(chuàng)新技術(shù)研究所研制開發(fā)出一種可模擬戰(zhàn)爭“氣味環(huán)境”的DarkCon模擬器，讓即將部署到伊拉克的士兵提前接觸這些難聞的氣味，經(jīng)過這種模擬器訓(xùn)練的新兵能更快地適應(yīng)實戰(zhàn)環(huán)境[33]。早期的氣味模擬在使用方式上是通過在場地中安裝氣味釋放器來進(jìn)行氣味傳播，而且在效果上要顯得單一和笨拙。

用戶預(yù)置氣味，早期的智能嗅覺信息化產(chǎn)品都提前預(yù)設(shè)幾種氣味，在通過人工，遙感或自動化的指令單獨釋放氣味，或?qū)馕痘旌厢尫?。將氣味?yīng)用在環(huán)境互動或通信的場景中，其原因在于氣味數(shù)字化還在早期探索中，而預(yù)設(shè)氣味簡單快捷，但是有限的預(yù)設(shè)氣味并不能滿足所有的應(yīng)用場景，并在多種氣味釋放時產(chǎn)生沖突，體驗較差。

氣味標(biāo)簽，一種是指用戶通過體驗和嗅探的方式，將一定地理區(qū)域內(nèi)的所有氣味通過人工的形式進(jìn)行可視化標(biāo)記，是氣味可視化的一種方式。另一種是利用計算機(jī)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以向量形式代表氣味分子，將氣味標(biāo)記為多個分類標(biāo)簽，通過人工智能的方式將單個特定分子與其氣味聯(lián)系起來。

表1 嗅覺信息化項目分析

Tab.1 Analysis of olfaction informatization projects

氣味編碼，是指將氣味如同顏色、形狀或聲音等視覺聽覺轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，而這些數(shù)字信息可以通過計算機(jī)等媒介下達(dá)命令或遠(yuǎn)程傳輸。但氣味編碼或以數(shù)字方式感知感應(yīng)氣味至今仍然非常困難，這一問題能否解決將成為嗅覺信息化的關(guān)鍵。

4.2 嗅覺信息化的研究要素

嗅覺信息化是以嗅覺作為切入點，探索新型智能嗅覺的應(yīng)用和發(fā)展，使機(jī)器深層理解嗅覺信息并與人類行為或環(huán)境關(guān)聯(lián)交互。通過研究以上經(jīng)典案例得到嗅覺信息化的主要設(shè)計目的包括通信、可視化氣味、心理滿足、加強(qiáng)記憶、探測、氣味與環(huán)境互動及模擬氣味等。根據(jù)嗅覺信息技術(shù)的定義，我們將嗅覺信息化的研究要素分為3部分：感知、傳輸和接收。

感知，即通過有效的手段或方法檢測到目前區(qū)域內(nèi)的氣味組成，也是嗅覺信息化最主要的課題。早期的感知檢測手段主要以傳感器、電子鼻等，而目前很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始著手通過人工智能的方式仿生嗅覺來分辨氣味。也有很多設(shè)計師嘗試使用其他的方式來感知氣味，例如通過信息傳輸通道轉(zhuǎn)換的方法——“聯(lián)覺”為人們提供盡可能多的不同感官體驗。聯(lián)覺是人腦中的一種現(xiàn)象，可以描述為“感覺屬性從一個感覺域到另一個感覺域的轉(zhuǎn)換”。感官之間是相互連接的，多感官器官是各種感官器官系統(tǒng)的綜合。多感官器官作為一種認(rèn)知理論和模型，它從各個角度和方向改變?nèi)藗兊纳砗托睦頎顩r，并最終改變?nèi)藗兊恼J(rèn)知。由于人腦混合了多種信息模式，因此感覺器官相互變化，相互觸發(fā)和放大[34]。聯(lián)覺是多種感覺的混合效應(yīng)，這種感覺隨機(jī)地將那些看似無關(guān)的認(rèn)知實體（例如物質(zhì)和聲音）聯(lián)系起來。通過視覺與嗅覺的信息轉(zhuǎn)換，在計算機(jī)視覺識別的基礎(chǔ)上介入嗅覺信息化，建立嗅覺計算模型。

傳輸，是指通過遠(yuǎn)程的指令控制，感知或模擬嗅覺。目前已經(jīng)有研究團(tuán)隊在探索嗅覺電子協(xié)議的方向，該方向可以使嗅覺體驗實現(xiàn)跨平臺傳輸和分享，但其實現(xiàn)也建立在氣味編碼和氣味數(shù)據(jù)庫技術(shù)完善的前提下，因此實現(xiàn)氣味編碼和氣味數(shù)據(jù)庫的技術(shù)完善是目前亟待解決的問題。

接收，通常與人體感受有關(guān)，是指將嗅覺轉(zhuǎn)換成人體可以接收和辨認(rèn)的信號，是用戶最終體會到數(shù)字化嗅覺的關(guān)鍵部分。人們更全面、更有效地感受、感知氣味體驗也是嗅覺化設(shè)計的目的和意義。目前釋放氣味的電子設(shè)備通常是通過模擬氣味搭載個人終端機(jī)來實現(xiàn)通信或與環(huán)境互動。在釋放設(shè)備中，“氣味膠囊”也是影響體驗的重要部分，這部分涉及如何更換新的氣味劑，如何模擬或復(fù)現(xiàn)氣味等一系列終端的交互體驗問題。通過以前的經(jīng)驗獲知，如何避免在同一時間或空間的氣味沖突引起用戶不適，和避免用一些較容易引起過敏癥患者的過敏源氣味也是在后期研發(fā)中值得關(guān)注的部分。以上這些項目的推動需要計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、視神經(jīng)信號處理，化學(xué)，生物學(xué)等多學(xué)科協(xié)作的研究和探索。

5 嗅覺信息化產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)

嗅覺信息化設(shè)計是新時代背景下匯聚了多學(xué)科背景資源的一種活動，是在信息化的基礎(chǔ)下討論與嗅覺相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計。因此需要在傳統(tǒng)設(shè)計思維的基礎(chǔ)上，引入三層次模型作為分析框架，經(jīng)討論適用于嗅覺信息化設(shè)計的新需求，見表2。“FeelReal”設(shè)備是搭載在VR設(shè)備上能夠提供嗅覺體驗的電子設(shè)備[35]。它不僅能夠模擬某些氣味，而且還能讓你的臉感受到雨水、熱和風(fēng)等。FeelReal VR Mask兼容大部分VR頭顯設(shè)備，包括Oculus Rift/Go，三星Gear VR、HTC Vive和PlayStation VR，見圖3。根據(jù)設(shè)計的三層次模型，設(shè)計活動可以分為本體層設(shè)計活動、行為層用戶體驗和價值層價值共創(chuàng)3個層次，根據(jù)三層次模型分析嗅覺信息化產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)，見圖4[36]。再研究分析歸納“FeelReal”VR設(shè)備，從設(shè)計思維角度總結(jié)其在產(chǎn)品和服務(wù)設(shè)計上的應(yīng)用方法，以討論嗅覺信息化設(shè)計在更廣泛場景和設(shè)計對象應(yīng)用中的參考借鑒價值。

表2 嗅覺信息化設(shè)計特征對三層次模型提出的新需求

Tab.2 The new requirement of olfaction informatization design features for three-level model

圖3 “FeelReal”設(shè)備

本體層的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計活動的根基，因此功能性和美觀性兼具的氣味媒介，載體或界面是嗅覺信息化產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)的基礎(chǔ)。從解決用戶能夠釋放、傳輸或接收到氣味的功能出發(fā)，在外觀上使其具有吸引力。但解決嗅覺信息化產(chǎn)品目前面對的更多問題是其成功的必要條件，即是完善的氣味探測感知技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)嗅覺感知技術(shù)，氣味模擬及電刺激產(chǎn)生嗅覺技術(shù)等。“FeelReal”設(shè)備作為搭載在VR設(shè)備上能夠提供嗅覺體驗的電子設(shè)備，既具有提供嗅覺與視頻場景相結(jié)合的嗅覺體驗，也具有設(shè)計美觀性，同時還可以搭載不同的VR設(shè)備平臺。該設(shè)備的嗅覺釋放與平臺游戲或電影相匹配實時釋放相應(yīng)的氣味，如鮮花，槍彈，咖啡等。釋放氣味的部分利用超聲波電離系統(tǒng)與用戶面部緊密連接釋放水霧感氣味，形成半密閉的小空間充分使用戶獲得沉浸式感受。該硬件設(shè)備還配有軟件平臺的編輯器，可以輕松地為視頻、游戲等在可被體驗和感知的關(guān)鍵幀上設(shè)置及編輯嗅覺以增強(qiáng)體驗。經(jīng)驗豐富的改裝者甚至可以自己修改香味盒，創(chuàng)造自己獨特的體驗。

行為層的設(shè)計目標(biāo)關(guān)注用戶與產(chǎn)品的交互模式、體驗感受及產(chǎn)品的服務(wù)整體流程，產(chǎn)品的使用不僅需要關(guān)注大多數(shù)用戶，更需要關(guān)懷少數(shù)感官功能障礙者。不僅需要簡潔明了的易用性交互模式，還要低認(rèn)知負(fù)荷、低使用成本，及在氣味接收過程中令用戶產(chǎn)生的新奇感、愉悅感與友好感。為滿足這一目標(biāo)的必要條件是多種良好的使用體驗、多種易用的交互方式及多種易實現(xiàn)、易操作的氣味呈現(xiàn)及接收方式。同時還需要關(guān)注的問題是嗅覺的信息化，即與以往嗅覺化產(chǎn)品最大的區(qū)別：氣味的辨識度及在整個嗅覺信息化產(chǎn)品架構(gòu)中氣味的意義。因此為達(dá)成這一目標(biāo)的必要條件是氣味編碼技術(shù)及建立氣味數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù)。“FeelReal”設(shè)備通過磁鐵可以簡單便捷地安裝在多種VR設(shè)備頭盔上，并通過藍(lán)牙方式連接。硬件設(shè)備交互操作非常容易，軟件編輯界面也非常易用。采用為視頻編輯音軌同樣的邏輯為用戶呈現(xiàn)氣味軟件編輯，既容易上手操作也容易理解。FeelReal不僅提供用戶自己編輯氣味與視頻同步，也提供與游戲電影廠商合作的“氣味包”，可以更簡單直接地獲得愉悅的嗅覺體驗。不僅體現(xiàn)了其適配的通用型，更體現(xiàn)了其交互的易用性，低認(rèn)知負(fù)荷及低使用成本。該設(shè)備中內(nèi)置9個獨立的氣味膠囊，選擇了能夠準(zhǔn)確模擬游戲和電影氛圍的獨特氣味。Feelreal香氣可以安全吸入，與食品行業(yè)中的香味相似，可以配合VR場景按照指令釋放給用戶。在調(diào)香師和嗅覺學(xué)家Bogdan Zubchenko的設(shè)計下，F(xiàn)eelReal能夠模擬255種不同的氣味以形成氣味數(shù)據(jù)庫。

價值層的設(shè)計目標(biāo)關(guān)于用戶價值、社會價值、產(chǎn)業(yè)價值的3個方面。對嗅覺化產(chǎn)品的基礎(chǔ)價值便是對用戶的情感需求，通過嗅覺與用戶的回憶進(jìn)行連接。而嗅覺化信息產(chǎn)品的基礎(chǔ)價值則是建立用戶之間嗅覺交流、通信的社會價值，因此建立嗅覺信息化交流共識成為這項目標(biāo)成功因素的必要條件。嗅覺信息化產(chǎn)品的存在并不只為嗅覺，更多是為多感官協(xié)作及沉浸式體驗服務(wù)，因此在產(chǎn)業(yè)價值中促進(jìn)嗅覺，多感官及沉浸式體驗的產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展是這項目標(biāo)成功因素的必要條件。“FeelReal”設(shè)備和很多嗅覺信息化設(shè)計項目一樣，為嗅覺、場景進(jìn)行了共情的連接，但目前缺少了與用戶之間的嗅覺通信交流。但“FeelReal”設(shè)備不僅是模擬各種氣味，而且引入“多感官協(xié)作”的概念增加觸覺反饋（包括用于生成水霧的超聲波電離系統(tǒng)、用于熱感的微型加熱器、用于產(chǎn)生風(fēng)的微型冷卻器和用于振動的觸覺電機(jī)）。因此“FeelReal”設(shè)備提供了嗅覺、多感官及沉浸式體驗服務(wù)，而以“FeelReal”設(shè)備為中心的軟件，氣味膠囊的更換，與電影游戲廠商的合作及未來的觸覺系統(tǒng)升級等已經(jīng)形成了一條沉浸體驗產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)降纳鷳B(tài)。

圖4 嗅覺信息化產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)

“FeelReal”設(shè)備是目前嗅覺信息化項目較為成功且典型的一項案例，提供了嗅覺信息化、產(chǎn)品化難得的范本。從“FeelReal”設(shè)備案例的研究分析中可以看出，以嗅覺信息化為目標(biāo)的“FeelReal”設(shè)備面對了極大的挑戰(zhàn)，而通過三層次模型從本體層、行為層、價值層的子目標(biāo)深入分析項目的關(guān)鍵成功因素和其必要條件，并在研究中總結(jié)發(fā)現(xiàn)“FeelReal”設(shè)備基本符合嗅覺信息化項目的設(shè)計目標(biāo)要求，并可供未來的嗅覺信息化參考討論。嗅覺信息化在設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用時間尚短，相關(guān)理論、方法論及支持技術(shù)仍處于探索和建構(gòu)中。在未來，更多新的人機(jī)交互或體驗方式將出現(xiàn)。眾所周知，各種類型的人機(jī)交互或體驗的發(fā)展都依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和完善，嗅覺信息化的互動會應(yīng)用于各行各業(yè)，無論是沉浸式體驗的娛樂行業(yè)，醫(yī)療健康行業(yè)，還是具有封閉式環(huán)境的交通運輸類行業(yè)等，嗅覺信息化將發(fā)揮擁有的潛能。

6 結(jié)語

文中通過對嗅覺信息化設(shè)計項目時間發(fā)展順序梳理，對嗅覺信息化產(chǎn)品形態(tài)，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了綜述。顯而易見，隨著科技的發(fā)展嗅覺信息化必將是未來的重要設(shè)計趨勢。不僅能夠促進(jìn)多感官的遠(yuǎn)程交互體驗，更促進(jìn)沉浸式體驗產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。通過對嗅覺信息化設(shè)計項目的研究，深入分析了嗅覺信息化的主要方式和研究要素。并以“FeelReal”設(shè)備為例通過三層次模型深入研究嗅覺信息化設(shè)計項目的設(shè)計目標(biāo)。主要的研究結(jié)論是，嗅覺信息化設(shè)計項目是設(shè)計“美學(xué)性功能性兼具，愉悅感易用性兼?zhèn)洌|發(fā)用戶情感需求的氣味媒介、載體或界面，以提供用戶沉浸式體驗及嗅覺交互?！蹦壳俺思夹g(shù)本身的瓶頸外，應(yīng)用場景局限、企業(yè)投入低所導(dǎo)致的研究人才缺乏也是造成人工智能嗅覺發(fā)展緩慢的原因。目前，視嗅覺信息化還處于初期，并面對兩方面的挑戰(zhàn)（人們對嗅覺本身的理解和研究及完全將其信息數(shù)字化的方法或模型）。但因為一般人對氣體檢測與環(huán)境分析的需求度不高，嗅覺信息化還未真正進(jìn)入人們生活的場景需求中，所以嗅覺信息化及智能嗅覺技術(shù)的研究將具有巨大的前景。

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Development and Design of Olfaction Informationization

SUN Xiao-tian

(Beijing Jiaotong University, Beijing 100025, China)

Industrial design already dominated by the Internet of Things and big data technology, from now on it have not only serving the visual and auditory senses, but also now focus on multi-sensory design. This article explores the demand scenarios, design ideas and future development directions of olfactory informatization product design by reviewing the historical development of olfactory informatization products, taking the demand scenarios, implementation technologies and product forms of existing olfactory informatization products as the research objects, and combining sensory design and interactive experience design to discuss, analyzes and summarizes the design direction of olfactory informatization under the existing scientific and technological means. In the future olfactory informatization will inevitably intervene into industrial design. It will not only help products realize innovation, but also enrich product functions and complete design experience. Multi-sensory exploration connect the relationship between people and design, and also in line with the guiding ideology of innovative design in the new era of our country.

innovative design; olfaction design; olfaction informationization

TB472

A

1001-3563(2022)06-0024-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.06.003

2021-11-04

孫曉天（1987—）,女，博士，主要研究方向為感官設(shè)計，交互設(shè)計以及數(shù)字媒體藝術(shù)。