人机交互视角下可穿戴水上救生产品设计策略研究

白杨 张继晓

关键词：水上救生 可穿戴设备 人机交互 救生产品 设计策略

引言

传统水上救生产品以提供浮力和确定浮力分布为主要设计方向，随着科学技术的不断革新，人们对水上救生产品的需求也随之增加。传感器、数据处理与移动物联网等可穿戴技术被引入救生领域之中，水上救生产品变得越来越智能化，可穿戴式救生产品已经成为水上救生重要研究方向。可穿戴水上救生产品与传统水上救生装备相比，具有更便携、更安全更舒适等特点，这样的转变必然带来全新的人机交互方式与行为产生。便捷的人机交互方式成为可穿戴水上救生产品设计研发主要考虑的方向。本文通过对可穿戴水上救生产品的分类梳理并对其功能及交互方式进行分析，对可穿戴水上救生产品人机交互的现存问题进行系统归纳，分析这些问题对产品交互行为的影响，总结归纳出人机交互下的可穿戴水上救生产品设计策略。

一、可穿戴水上救生产品概述与分类

可穿戴设备是指可直接放置皮肤上，或与纺织产品结合穿在身体上的微电子设备，通过传感器、智能交互、数据处理平台以及移动互联网等技术的综合运用，从而实现对人体或周边环境的相关信息进行检测、处理和传输[1，2]。水上救生装备是人们在水域活动时保障生命安全的水上防护用品，主要分为个体救生装备和集体救生装备，个体救生装备是指可随身携带，供个体在紧急状态下使用的能够提供浮力，保证落水者漂浮在水面的救生工具[3]，其中包括救生衣、救生圈和浮板等种类。随着可穿戴技术的不断发展，水上个体救生装备从最初的基本浮力保障，转变为加入传感器等装置的智能可穿戴水上救生产品，为保障人体安全提供了多种可能。本文所提出的可穿戴水上救生产品是指基于可穿戴技术的能够佩戴在身上的个体防护和救生产品，如图1。

按救生方式分类，可穿戴水上救生产品可分为监测警报和安全漂浮两种类型。

（一）监测警报类

水上救生产品的落水警报功能有助于提高救援者对落水人员的搜救效率，使落水者及时获得救援。iSwimband儿童防溺水装备（图2-a）利用蓝牙发射器与移动设备的应用程序相连接，有效监控距离在30米内，内置的环境传感器在水下超过设置时间会自动向移动设备发送警报。1st Mate海上救生设备（图2-b）通过可穿戴设备、应用程序与中央集线器结合生成智能安全网络；分为船长和乘客两个系统：在乘客系统中，设备具有向应用程序发送求救信号和 GPS 定位的功能，并在应用程序上提供救援路线；在船长系统中，设备在乘客系统的基础上增加了切断发动机动力的功能。海上落水报警定位装置（图2-c）具有落水自动报警、手动报警和一键报平安功能，不仅可以通过公网进行实时监控，还可以利用北斗短报文将落水者的位置发送给预设的联系人。

（二）安全漂浮类

水上救生产品的浮力获得，主要基于充气气囊和固有浮力材料两种方式。可穿戴水上救生产品主要采用气囊式，不仅可以提供基础浮力还可以保证救生装备的适体性，能够给使用者较大的活动空间，减少水上运动时的不适感。Kingii充气手环（图3-a）操作简单，落水者拉动银色手柄后，高压气罐迅速向气囊充气就能将落水者拉到水面，并配备了安全哨和指南针以便进行自救。Ploota救生项圈（图3-b）内置环境传感器检测在水下时间过长气囊可自动充气，也可以手动操作打开充气气囊，把落水者的头部迅速抬至水面以上。SeeArch个人漂浮装置（图3-c）可与救生衣搭配使用，在打开充气装置后形成高1.5米的三角拱门形漂浮物，充气拱门可充当吊索，使救援人员把落水者拉出水面。Lifeshirt救生衣T恤（图3-d）需要手动操作打开气囊装置或用口腔阀充气，气囊充气后自动激活传感器，向移动设备发送警报及位置。

可穿戴水上救生产品不论是监测警报类还是安全漂浮类都不具备显示屏，人机交互主要使用者通过传统物理操作（打开气囊或触摸按键）、传感器进行环境数据探测和设备向应用程序发送信息三种方式。这三种交互方式本质上是两种人机交互类型：一是人主动与产品进行交互，如使用者打开气囊或触摸按键；二是产品主动感知并与人进行交互，例如产品通过传感器采集环境信息并向移动程序发送信息。

二、可穿戴水上救生产品人机交互的现存问题

人机交互以实现自然、高效、和谐的人机关系为目的，研究人、计算机以及它们之间双向信息交换的技术[4]。随着计算机硬件的不断发展，传感器、移动物联网等核心技术的载体变得越来越小巧化与轻便化，设备的适体性方面得到优化，使得可穿戴设备在人们日常生活中得到普及。可穿戴设备成为人机交互的媒介，将电子设备作为人体器官的延伸，使得人机交互方式发生了本质变化。交互界面在可穿戴设备上不再局限于传统设备的电子屏幕，设备通过传感器感知使用者或环境，推理使用者意图并输出。可穿戴水上救生产品把传统图形界面的交互转化为执行动作或感知反馈信息的交互方法，輸入与输出设备的功能操作主要在移动应用程序上完成的，传感器通过感知环境来进行判断，甚至不需要使用者与设备直接交互。无形的交互界面把人们从传统的图形界面的束缚中解脱出来，人类与机器的交流更加生动与自然。

虽然可穿戴水上救生产品较于传统水上救生产品有智能和便携的优点，但同时也存在诸多问题。

（一）忽视使用者需求

掌握使用者的需求可以使产品提供良好的交互方式和用户体验。虽然可穿戴技术的水上救生产品种类繁多，但大多数人在进行水上活动时依旧选择传统救生装备。造成这种现象主要有两个原因：一部分是受技术影响，当下可穿戴技术尚未完全成熟，人机交互产生阻碍，产品不能更好地服务于人；更为重要的原因是，设计者忽视使用者的需求在人机交互过程中的重要作用，导致救生产品在实际应用中未能达到预期效果。因此，人机交互下的产品设计需要了解使用者与产品的关系，即使用者购买产品时的目的，如何使用产品以及使用产品后所期望达到的效果。通过上文的分析可以看出，监测警报与安全漂浮两种类型的水上救生产品功能相对独立，不能同时兼顾。例如，监测警报类可穿戴水上救生产品具备GPS定位、警报与设计救援路线等功能，适用于开放性水域的落水救援，但无法使落水者安全漂浮于水面，必需搭配其他能够提供浮力的救生产品一起使用。这是由于设计时没有考虑到使用者的使用情境和方式，导致产品功能无法满足使用者需求。

（二）单一的交互方式

可穿戴设备具有语音、眼动和手势等多种交互方式，但由于水上救生产品的使用环境及应用场景较为特殊，因此在交互方式的选择上会受到一定程度的限制。安全漂浮类的水上救生产品以物理操作为主要交互方式，即手动打开充气装置为气囊充气。这种方式虽然可靠，但不能够很好地满足人机交互过程中所要求的高效与便捷，加重了使用者的操作负担。监测警报类的水上救生产品以基于环境感应的传感交互为主要交互方式，通过传感器采集环境信息来判断使用者是否需要救援。然而这种交互方式判断溺水方法容易产生误判，例如，有使用者曾将两个iSwimband儿童防溺水头带置于水下三分钟后，其中一个设备发出警报，另一个始终没有警报。单一的交互方式使产品不能准确地判断使用者是否溺水，并且不稳定的使用状态难以给予使用者足够的安全感，也无法使人们更好地应对在水域活动时所面临的复杂问题。

（三）被动的显式交互

目前，可穿戴水上救生产品以显式交互为主要交互方式，即使用者通过键盘，按钮，触摸等方式主动输入的交互过程[5]。显式交互在进行精准明确的交互过程中发挥着不可取代的作用，但却属于被动的交互方式，即使用者需要集中注意力输入明确的交互指令，产品被动地接收指令并执行。这种被动的交互方式具有一定局限性：一方面可穿戴水上救生产品追求小型化与便携化，导致交互界面较小或没有交互界面，难以满足显式交互的需求；另一方面，显式交互需要使用者主动输入明确指令来打开救生装置，占用使用者的注意力资源，而人体在落水时精神紧张难以集中注意力输入精确的指令。因此，被动的显式交互方式无法实现水上救生产品在交互过程中所要求的高效与便捷，难以达到快速、智能的救生目的。

三、人机交互下的可穿戴水上救生产品分析与设计策略

通过上文的分析可以发现，融合了可穿戴技术的智能水上救生产品，对比传统的水上救生产品，其交互方式已很大的区别，导致人机交互方式也发生了变化。因此，需要对可穿戴水上救生产品人机交互的现存问题进行进一步分析归纳，寻找能够实现高效、便捷、安全的人机交互的设计策略，使可穿戴水上救生产品更好地保障使用者的生命安全。

（一）人机交互下的可穿戴水上救生产品问题分析

1.核心需求层次归纳与分析

人机交互的核心在于满足使用者的需求。研究使用者核心需求可以优化人机交互方式，从而提升使用者的用户体验。美国心理学家马斯洛于1943年提出了“马斯洛需求层次理论”，将人的需求分为五个层次，从低到高分别为：生理、安全、社交、尊重及自我实现需求。以上五个层次由低级向高级逐级发展，在多种需求未被满足时，满足低层次的需求更为迫切；某一层次的需求被满足后，人们会寻求更高层次的满足；每个需求层次之间是交叉重叠的关系。依据马斯洛需求层次理论，得到水上救生需求的五个层次，如图4。其中生理与安全需求为核心需求。在可穿戴水上救生产品设计过程中，应将保障人的生理需求与安全需求作为设计的首要任务，其次是考虑使用者的沟通需求与情感需求，再次是自我实现需求。

依据以上五个需求层次，可以逐级实现可穿戴水上救生产品三个功能层次。由低到高分别为：实现安全漂浮、示位、警报等对人体保护的基本核心功能；满足情感需求的语音交流、信息传递等功能；以满足自我实现需求的对他人实施救援的功能。同时，可穿戴水上救生产品的功能层次应符合人机交互设计的两个目标，即可用性目标与用户体验目标[6]。如图5。可用性目标主要指产品满足效率、有用、身心安全等使用者行为层面的目标，可穿戴水上救生产品中核心功能需要满足行为层的可用性目标。用户体验目标则需要产品满足使用者情感层面的，如情绪、安抚、愉悦感、获得感、美感等目标。信息传递、语音交流和对他人进行救援这两个层次功能则需要满足用户体验目标。可用性目标与用户体验目标是相互关联与补充的整体性关系，可用性通常是用户体验的基础，而用户体验又会反作用于可用性。

2.细分差异下的需求分析

使用者需求与产品功能之间的关系，会影响人机交互方式是否精准。因此需细分人群、环境、用途差异下的需求，使之与产品功能相匹配。

2.1 人群差异下的需求分析

不同人群在落水时的行为动态与心理变化，导致可穿戴水上救生产品的需求差异，如表1。儿童群体身体尚未发育成熟，而老年群体身体各机能衰退，使得这两个群体在落水后均不能进行有效的自救援。因此，需要通过优化人机交互关系，使水上救生产品具有对行为动态的识别判断功能。例如，刘永庆等通过将加速度传感器固定在手腕和脚腕的实验测试与分析，计算出不同泳姿的加速度特征分析。对泳姿，划臂等行为动态的识别与分析，可以及时发现溺水情况。

2.2 环境差异下的需求分析

根据使用者所处的水域环境的差异，可穿戴水上救生产品的基本需求也不同，如表2。水上救生产品在满足安全漂浮的基本要求后，在封闭水域使用时，要首先考虑产品的便捷性与适体性，以满足使用者在水下自由活动。而在开放水域使用时，则要优先实现示位、通信等营救功能，以便救援者可以准确地定位落水者快速实施救援。

2.3用途差异下的需求

可穿戴水上救生产品的用途广泛，面对不同使用场景，产品的功能也应做到精准匹配。如表3。能够进行水上运动的场所具有良好的营救设施，因此一般不配备GPS定位，通讯等功能。而军用水上救生产品作为单兵作战防护装备，在安全漂浮、示位、营救等方面需要比民用水上救生产品的要求更高，且需具有防弹功能。

3.主动的隐式交互方式分析

隐式交互方式具有主动预测与救援功能。其不需要使用者持续集中关注产品并输入指令，就可以测量、获取人体生理信号、运动状态和环境信息，突破人体的生理局限，帮助使用者在无意识情况下完成救生功能，降低使用者对设备认知负担，提升交互质量。例如，人体在溺水早期（一分钟内）生命体征会产生血压升高、心率增快等变化。面对这种生理变化，采用生理传感器来检测人体的生理参数，通过隐式交互方式主动评估使用者的身体状况，可提升救援效率。NJFarin 等 设计并实现了一种利用可穿戴式传感器来實时监测人体心率的检测系统，当心率过高或过低的异常状况时可以及时向用户发送警告信号。但就目前的技术而言，单纯依赖基于传感器的生理监测或环境监测，依旧无法完全保证监测数据的准确性。

（二）人机交互下的可穿戴水上救生产品设计策略

1.基础保障：以满足核心需求层次的设计定位

将可穿戴水上救生产品的可用性目标作为用户体验目标的基础，需要遵循核心需求层次优先的设计方法，把保障人的生理需求與安全需求作为设计的首要目标和定位。

满足核心需求层次需要科学合理的浮力分布。水上救生产品的设计过程中需要掌握溺水时人体行为特征，通过分析浮力分布位置，来控制落水者在水中的姿势。科学的浮力分布结构可以保证人体在溺水时，无论是处于何种姿势与是否处于昏迷状态，都能在几秒钟之内自动翻转落水者，使其的口鼻高于水面之上，以保证落水者的生命安全，满足水上救生的生理需求。

安全适体的结构设计可以优化产品的核心功能。人体在静止时，身体各个部位的尺寸与维度是相对稳定的，而在活动时，人体的各方面数据会相应发生变化。因此，除了要把握人体的基本尺寸，更要对人体在水下运动时身体各部位的运动范围、频率和幅度等方面进行分析与研究。从人体工程学的角度掌握人体运动时的变化量，保证水上救生产品的适体性结构设计，满足使用者在水下自由活动的要求，从而保证水上救生产品被高效且安全的使用。

2.精准施策：细分使用者需求类型的设计方法

细分使用者需求可以在设计中避免技术需求优先带来的被动式与需求不对应的弊病。人群、环境、用途差异下的需求，这三者需求类型既相对独立，又相互作用。若只对其中一方面进行考虑，产品则不能完全满足使用者需求，也无法保证人机交互的流畅顺利。因此，在设计过程需要同时考量这三个方面的差异，寻求最优的需求与功能匹配方案，才能够精准定位产品的具体功能，并明确交互方式。如图6。权衡考量环境、人群、用途三种差异下的需求，构建三者间需求集合，形成设计的条件需求，最终将其转化为产品的具体功能。细分使用者需求类型的设计方法能够使可穿戴水上救生产品被高效且安全的使用，同时对使用者起到合理有效的防护。

3.高效协同：显、隐式交互方式的共同作用

显式交互与隐式交互方式通过相互关联，使整个人机交互过程自然顺畅，同时扩展人机交互方式的维度。例如，充气装置有手动充气，自动充气两种方式，分别对应显式交互与隐式交互方式，同时使用两种方式，可以在自动充气失效时，直接采用手动充气保证落水者生命安全。对可穿戴水上救生产品核心功能的交互方式进行梳理，得到核心功能的显式与隐式交互方式，如表4。在设计过程中采用显、隐式交互方式共同作用的设计方法，能够提高核心功能的人机交互效率，使可穿戴水上救生产品的感知系统突破人体的生理局限，帮助使用者在无意识情况下完成救生功能，快速且高效实现对落水者的救援或自救，最大程度保障使用者的人身安全。

结语

基于可穿戴技术的水上救生装备已成为救生领域的研究方向，并拥有着广阔的发展空间与潜力。当前，可穿戴水上救生产品在设计上缺乏创新，忽视用户需求、无法实现高效的人机交互等问题成为阻碍救生产品发展的重要原因。因此，设计者在设计与研发的过程中应以可穿戴设备作为人机交互的媒介，探索以核心需求层次优先的交互基础逻辑、细分使用者需求类型后的精准交互方式和显、隐式交互方式的共同作用的设计策略，实现高效、便捷、安全的人机交互，从而更好地保障使用者的生命安全。此次研究为人机交互视角下的可穿戴水上救生产品提供新的思路与参考，对未来更安全、便捷、智能化的水上救生产品的再升级具有一定的参考价值。