实体界面交互的发展与产品设计应用探究

徐威，江禺心

（大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连 116024）

引言

近年来随着智能技术的成熟与普及，产品的智能化趋势愈演愈烈。一份iiMedia Research报告显示，目前市场上智能硬件普及程度开始提升，产品种类更趋多样化，加上消费升级趋势下，智能硬件作为优质产品更受青睐，中国智能硬件在2020年的市场规模预计将达到10767.0亿元。然而新的机遇也带来了新的挑战，在硬件和技术都不断革新、各类新兴交互方式如语音交互、手势交互、自然交互等不断发展的今天，人们对于自然交互的需求愈发迫切，而传统产品智能化的局限性却依然明显，例如目前大多数智能产品仅对其传统原型产品添加附属的芯片、触摸屏等，其人机交互方式生硬、单一，并没有发挥智能技术给交互方式带来的巨大可能性，我们需要一种在智能产品设计中对人机交互方式的新尝试。

实体界面交互TUI（Tangible User Interface）是伴随互联网时代数字图形界面GUI（Graphic User Interface）之后产生的新兴交互方式，其强调触觉优势，具有将抽象数字信息实体化的特点，在对交互方式要求更高的智能产品的设计中，有着很高的应用潜力。本文将通过对实体界面交互理论进行介绍以及分析相关的产品案例，将实体界面交互概念引入智能产品的设计中，尝试提出一种针对智能产品设计的具有借鉴和参考意义的设计策略。

一、实体界面交互理论基础

（一）实体界面交互的定义与特征

实体界面交互是指用户通过物理环境与数字信息发生交互行为，最初被称为Graspable User Interface，之后发展为实体交互TI（Tangible Interaction），在后续的研究中被逐渐明确为实体界面交互TUI。

TUI旨在通过把可触摸的实体形式赋予在无形的数字信息上，由此来增强用户的协作、学习和设计能力，充分地利用和挖掘人类对于物理实体和材料的操作能力，强调物理世界与数字世界的融合，让抽象的数字信息变成可触碰的具象实体，使人类的信息交流更加直观自然且普适化。实体界面交互广泛涵盖了多种系统和界面，具有有形性和物质性、数据的物理载体、作为交互中重要组成部分的具体互动与身体运动、嵌入真实的物理空间等四个特征。

（二）实体界面交互的发展沿革

1.起源

实体界面交互与人机交互HCL（Human-Computer Interaction）有着十分密切的关系，人机交互方式从最初以设备为核心、强调信息输入输出的准确性，到以人的需求为核心、强调技术适应人的人机协调自然交互；从最初物理信息与数字信息属于各自独立的空间，到物理空间与数字空间的融合共生，最终促使了实体界面交互的产生。

实体界面交互是在物联网时代背景下产生的一种新的交互设计趋势，但国外很早就有了与它相关的早期工作：早在1976年Radia Perlman设计的卡片插槽编程器（The Slot Machine）就通过操作实体卡片控制命令执行顺序（图1），实现了实物载体对数字信息的操控；1980年有学者提出了一种计算机辅助设计（CAD）3D建模系统的概念模型，通过用户对系统中的实体模块组件进行操作建模，其对应的数字模型会出现在一块显示屏中；1999年Abrams设计的弹珠应答机（The Marble Answering Machine）使用弹珠来代表未接来电（图2），用户把设备弹出的弹珠放置在特定的位置即可回放相应的电话留言。

图1 卡片插槽编程器

图2 弹珠应答机

虽然这些早期工作还没有系统地提出理论框架，但是却已经具备了使用实体控件来表示和操作数字信息的功能基础，让之后实体界面交互的产生成为可能，而其概念来源一般被认为是由Fitzmaurice等人在1995年提出的可抓取界面（Graspable User Interface）。

2.发展

实体界面交互的概念最早是由MIT媒体实验室的Hiroshi Ishii教授及其学生Brygg Ullmer在1997年的一篇题为Tangible Bits的文章中提出的，文中首次使用了Tangible一词来形容这种新的交互界面形式，意图打破图形交互界面中用户的操作必须通过显示器才能实现的局限性，把传统观念中各自分离的物理空间和数字空间联系起来，实现基于实物操作的输入与输出方式。

（1）无源阶段

基于实体比特的概念，实体界面交互经过二十多年的发展逐渐成熟。在发展初期其研究的重点在于如何利用物理实体来实现丰富的交互形式，这一时期的实体界面大多只作为信息的输入端，而输出仍需要显示器来实现，具有无源的特征。

例如MetaDesk是MIT较早期（1997）的一个项目，该项目将建筑的缩小实物模型等抽象几何实体作为操作手柄，控制GUI界面中的信息通过一块数字化增强的桌面显示；Urp项目也是早期应用TUI的一个范例，该项目使用建筑的实物比例模型来装配和控制模拟城市的基础参数，例如阴影、光反射、风向以及其他属性，并且提供了各种交互工具来查询和控制其模拟参数；SandScape项目的工作台由一个沙盘模型组成，任何物体都可以作为输入或输出机构，例如用户自己的手、纸张、纸板、泡沫、塑料等，通过计算机投影（如模拟水流等）增强效果，实现了任意物理属性与信息空间的耦合；SLAP Widgets是一组由软性硅胶和丙烯酸组成的透明组件，结合了物理部件与可视屏幕的优点，作为信息输入设备，既可以提供操作上的触觉反馈，还支持流体操作和无眼操作，同时利用其在交互桌面上的投影可实现软件标签的动态控制。

（2）有源阶段

TUI后来的研究重心逐渐发展为如何实现信息不仅能由实体端输入，还能通过实体端输出并产生物理形式的反馈（即有源的TUI），并出现了一些被称为动力实体工具包（Kinetic Tangible Toolkits）的设计项目：Kinetic sketchup是一组为运动原型提供编程语言的工具包，由一系列可编程的实体驱动模块组成，用户将驱动模块嵌入到实体接口中，使数字信息与可与自行重构的结构动态耦合，用于研究动力支持下的机械、行为以及材料参数等方面丰富的相互作用；Bosu是一款为柔性材料提供动态记忆的设计工具，可以记录和回放三维空间内的运动，用于运动原型设计和数字增强形式的查找，将动态建模与同步感应、驱动相结合，创建一种可变形的结构。

（3）物理组装阶段

图3 实体界面交互产品设计流程

此外，围绕可触动力实体概念（Embodied Kinetic Tangibles），如何实现通过用户自由组装创建的模型与数字空间的信息进行耦合或是具有独立的交互能力也是另一个研究重心（即TUI的物理组装），例如Topobo是一个具有动态记忆（kinetic memory）的三维构造装配系统，用户通过将被动部件和机动部件组装在一起可以构建出动态的生物形态，然后观察它反复回放相应的动作，其建模系统的独特性在于它的输入输出端均通过物理实体操作与呈现，使得积木拼插组成的模型具备了简单的交互功能。

3.趋势展望

实体界面交互在不同领域的应用发展得较为成熟之后，其局限性也开始显现，虽然TUI界面能较充分地实现信息从物理世界向数字世界的传输，但是在反之的过程中却较难实现反馈输出，由此，一些新兴的理论观点也陆续出现。

2008年David Holman和Roel Vertegaal提出了“有机用户界面”（Organic User Interface）的概念，其中提到利用类似纸张的柔性且可弯曲的界面，来解决刚性界面对计算机的可用性限制问题；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变的界面，它可以改变其物理性质例如形状、尺寸和颜色等，并且能通过特定的刺激来控制；2012年，MIT的实体交互研究小组提出了“基本原子”（Radical Atoms）的概念，作为一种未来物质，这种动态材料不仅可以改变其物理属性，还能直接告知用户其功能，所有的数字信息都有其物理表象，实现物理实体与数字信息的融合，以及物质与界面的融合。

“基本原子”概念的产生为后续人们对其他新型交互界面形式的探索研究带来了新的视野，也对新材料、新技术、新工艺等有了更高的要求，可以想象随着科技的发展，实体界面交互在未来将会有更丰富、更自然的实现形式，物理世界与数字世界也会结合得更为紧密。

二、实体界面交互产品案例剖析

实体界面交互在目前市场化产品中的应用还未普及，现有产品大多数未投入大规模生产的概念性产品，但其应用理念依然值得学习。

由Senna Graulus设计的Orbit实体音乐控件是一款可触摸的音乐控制组件，通过用户对数字音乐进行物理控制回归传统的交互体验，提倡在触摸屏日趋普及的今天重新回归实体体验的魅力；Brumley设计的Objects In Space Fall是一种由实体用户界面驱动的全新形式的音乐播放器，通过对一些不同尺寸的小球控制模块的摆放、旋转等操作对数字对象进行控制，操作后的结果在智能桌面上显示，使用者没有与传统的数字界面直接交互，而是通过实体的操作模块实现对各种功能的控制，带来体验上的真实感；Kyumin Hwang设计的Davinch绘画工具让用户在平板电脑上体验到真实绘画的乐趣，由可旋转的“粗糙度控制”组件、“颜色选择器”和笔架三部分组成，用户可以像在调色板上一样选择颜色以及像在桌面上一样更换画笔，将真实绘画过程中的行为应用到产品界面上；任天堂Switch Labo系列游戏套装作为一个较成熟的产品比较具有代表性，套装有拼装和游戏两个部分，就其游戏本身来说，它脱离了单纯的屏幕操作，把玩家的身体调动起来，另外在其Labo VR系列中，更是结合了VR技术提供了更新的玩法，并且能提供沉浸式的拟真体验，Switch对这种新兴交互方式做出的尝试足以被看作是实体交互概念产品化的第一步。

运用实体界面交互的产品，从效能上来看：虽然实体交互在常规操作上效能不如触摸屏，但在精微操作上却效能更高；实体交互具有焦点导航功能，可以提供视觉焦点辅助；为视野达不到的区域提供补充反馈；通过外露固定操作规则的部分，减少单个操作识别的时间。从体验上来看：实体交互具有触摸屏无法比拟的多角度的体验反馈；丰富的反馈和“不够先进”“亲切”的印象可以增强用户的使用安全感。

可以说，实体界面交互虽然源自上个交互时代，但它在如今的交互时代仍不可或缺，并且其交互形式仍会进一步地发展，实体界面交互不会是替代现有的数字界面交互，而是作为一种产品交互方式各取所长的必然演变。

三、基于实体界面交互的智能产品设计方法

（一）设计框架与设计模型

在实体界面交互的发展过程中出现过许多理论，并且建立了相应的理论框架，这些研究为实体交互的发展和产品应用中的设计方法提供了重要的理论基础。

设计框架为人们的思维提供了系统化的支撑，例如Hornecker和Buur在2006年提出了一种实体交互框架，它由四个互相关联的主题组成（表1），侧重于探究物理空间与社会互动的交织，并且提供了一些研究实体交互社会层面的观点，有利于更好理解实体交互系统的用户体验。

表1 实体交互框架

2001年Brygg Ullmer和Hiroshi Ishii在GUI的MVC模型（Model View Controller）的基础上，提出了TUI的交互模型MCRpd（Model Control Representation[physical and digital]），该模型提出了实体界面交互的四个关键特性，其中三个特性直接涉及MCRpd模型：1.物理象征在计算上与数字信息耦合；2.物理象征体现交互控制的机制，这种控制通过操作实物完成；3.物理象征与数字表现的感知耦合；另一关键特性是物理象征的状态部分地体现了系统的数字状态。这些特性强调物理象征的信息呈现与控制的结合，为测试实体交互的重要特性提供了一种工具，并且将更有助于物理世界与数字世界的无缝衔接。

（二）设计方法及流程

以上述理论框架为基础，结合资源库的特性，本文将设计方法的结构分为用户和产品两个层面，提出了一系列针对实体界面交互在智能产品应用中的设计方法及流程。（图3）

1.建立用户需求模型与产品需求文档

首先要进行用户前期调研，通过问卷调查、用户访谈等方式了解用户特点，建立用户需求模型，包括用户需要实现怎样的行为、达到怎样的目的以及获得怎样的使用体验等生理和心理需求；同时要明确产品目标功能，思考设计对象的本质是什么，提取出它的功能核心，例如杯子的本质就是盛水的工具，电话的本质就是连接两端通信的工具等，在定位清晰后需要对产品进行调研分析，总结出产品预期特点，明确设计目标，提出功能需求文档。

2.寻找设计机会点与构建动作库

一方面结合用户需求模型和产品需求文档找到设计机会点，明确设计的细节和重点，寻找产品使用过程中可能发生的交互行为；另一方面需记录用户与其他各种实体物品的交互行为，构建用户动作库，分析各交互动作的扩展含义，例如拍打代表激发反应、滑动代表调整参数、擦拭代表清除等象征含义，为特定动作匹配对应的实体象征，并进行归类整理。

3.匹配交互行为与动作库

根据用户动作库中各动作的扩展含义，寻找目标交互行为与用户动作扩展含义的对应关系，将二者联系起来并逐一匹配，实现用户行为与产品交互功能的一一对应，最后结合设计心理学、人机工程学等设计理论进行最终设计构思。

需要注意的是，为了实现更好的用户体验，应该对产品交互行为的本质更直接地表达，用户对产品更直观的感受可减少使用时的阻碍，另外在产品交互模式上还可以打破常规进行创新，思考如何利用最自然的行为实现交互动作，通过直接高效的操作将行为与结果直接联系起来，在产品的功能反馈上还可以考虑多感官形式的体现。

四、结语

实体界面交互顺应着时代需求而萌生，为产品设计带来了有价值的转变，但在某些方面却不一定适用，它在实现操作高效便利的同时，也存在着一些局限和不足，本文对实体界面交互的发展变革、产品实例分析等进行介绍，以相关理论框架为基础，提出了一系列产品设计实践中的设计方法与流程，为将来可能的产品设计应用提供了一定程度的参考依据。■