基于普适计算的无界面交互设计研究

摘要：伴随着物联网时代的来临，计算设备与环境逐渐融为一体，无界面交互成为人机交互的重要趋势之一。无界面交互即无实体或虚拟可视界面的交互。本文从无界面交互的现状、概念定义以及在普适计算理念下的实际应用等方面进行了研究。通过文献综述、案例分析等方法对无界面交互进行定义和分类，并提出无界面交互设计策略。无界面交互设计策略的要点是：感知情境，适应用户，贴近自然交互行为和最小化干扰以融入环境。结论未来是让环境成为自然交互的载体，信息重新成为人机交互的主角。

关键词：普适计算无界面交互 非可视化人机交互 交互设计 情境感知 用户体验

中图分类号：TP47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 07-0100-04

一、普适计算

物联网时代来临，智能设备层出不穷，数据量呈指数型上升，新技术不断催生数字化革命，为普适计算（Pervasive computing/Ubiquitous computing）的发展创造了良好条件。“普适计算”由马克，维瑟在1991年《科学美国人》（Scientific American）杂志上刊登的“The Computer for the 2lst Century”—文中提出。马克·维瑟（MarkWeise）认为获取信息所需的交互与信息量之间平衡且最佳的状态是减少交互，技术应以不显眼，不打扰的方式给予用户支持[1]。普适计算强调计算设备与环境融为一体。提倡让人机交互隐匿和不可见，但用户可以在需要的时候在任意时间和地点以任意方式获取信息。

二、无界面交互

（一）无界面交互的定义：“无界面交互”（ No Interface design）一詞来源于”Golden Krishna所著《无界面交互：潜移默化的ux设计方I略》（The Best Interface Is No Interface： The Simple Path to BrilliantTechnology）一-书，作者在书中提出明确观点，“最好的电脑是无形的。最好的交互是自然的。最好的界面是没有界面[2]。无界面交互即无实体或虚拟可视界面的人机交互[3]，又称为非可视化人机交互。人在无界面交互中处理来自听觉、触觉、嗅觉、味觉等单一或多重感官的信息。无界面交互的应用体现在诸多方面：脑机交互、智能联网设备、智能家居，智慧城市等。

（二）研究意义：计算平台和技术的演进是交互方式最主要的推进要素之一。自个人计算机普及以来.人机交互的主要方式经历了鼠标键盘、图形界面、智能触屏等阶段，每个阶段所能呈现的交互带宽都比上一个层级有所增加。我们当前正由互联网时代向普适计算时代迁移，物联网（lnternet of Things，IoT）设备逐渐变得无处不在，计算机融入到生活的方方面面。随着智能传感、人工智能等领域技术的进步和人机交互的发展，无界面交互出现并成为界面交互的下一个阶段，如图1。

与无界面交互相对应的是图形用户界面（Graphical UserInterface，GUI）交互。简称界面交互。界面交互是以图形方式显示的计算机操作界面。自施乐帕克研究中心（Xerox PARC）在1973年设计出世界上第一个图形用户界面，到Windows、Mac OS等搭载于个人电脑的桌面操作系统普及以来，界面交互一直是人与计算机交互的主要方式。界面交互适用于向用户呈现大量精细信息的特定场景，但其与生俱来的缺陷在于必须依托可视化的界面与用户交互。设计隐喻的偏差，人机语言的差异和信息传输的延迟等都可能让界面交互变得不那么自然。

对于当前大部分基于界面交互的软件应用而言，设计出让人沉迷的产品的商业目标逐渐取代了以提升用户体验和价值为核心的目标，L/Twitter为例，2014年的一篇分析文章中指出，“Twitter最核心的增值杠杆是用户访问量、市场占有率和用户在界面停留时间的长短”。然而，技术和设计应为人服务并引导人更好地生活，好的交互设计的目标不是让人成瘾，而是以优雅快捷的方式满足人们的需求。美国科学家Alex Capecelatro也曾提出，“用户界面不是必须的，可视化用户界面只有通过正确实例的应用才有意义，过度使用界面会增加用户操作的额外步骤。”

基于视觉交互（如屏幕）的界面设计容易造成信息过载、层级过多和界面叠加，有时无法很好地解决人在处理多任务的复杂线下场景时遇到的问题。需要跳出传统界面设计的思路，以用户体验为核心，提出更直达用户目标的解决方案。无界面交互的优势，一方面体现在可以简化操作流程（如图2），提升工作效率，贴近自然交互的规律，具备天生的亲和性。另一方面，无界面交互领域的研究目前仍处于初始阶段，可以在其中做更多可行创新，为考虑解决用户遇到的困难来设计解决方案，创造更多提升人愉悦感和幸福感的设计和环境。

（三）研究现状：无界面交互从2013年左右开始受到学术界和产业界一定程度的关注，相关的学术研究和设计实践相继出现。

学术理论建设方面，Golden Krishna在《无界面交互：潜移默化的UX设计方略》一书例举了界面交互的弊端，并提出“设计的重心应当由界面转向对用户真实的个性化需求的满足，无界面交互是设计的未来”。Uwe Hansmann和M.Satyanarayanan[4]等学者的研究支持“人机交互应该是透明的或隐藏的”。ARGODESIGN的创始人Jared Ficklin在2017年三星开发者大会的演讲《没有用户界面的设计未来》1中分析研究成果，认为智能语言助手等智能产品的普及将改变用户体验的深度和广度，未来的界面交互将逐渐简化和减少。国内目前针对无界面交互的学术研究较少。华东理工大学的翟文雪和于炜在《无界面交互设计研究》—文中提出无界面交互的应用对于特定人群（如视觉障碍者）具有较大价值，好的交互设计需要跳脱出界面设计思维，以最契合的交互方式呈现最优的方案。

设计实践方面，互联网界的巨头亚马逊、微软、谷歌、苹果和物联网行业领头的华为、英特尔等公司在着力研究普适计算的应用和无界面交互，以促进产业持续发展。在各国政策的推动下，SG、物联网和智慧城市正在加速建设，致力于通过物联赋予万物感知，创造普适计算下计算设备与环境融为一体的世界。

（四）无界面交互的分类：笔者在对现有的产品和技术进行研究归纳后，按照交互范围和设计目标的不同对无界面交互进行了分类（如图3），分别是“无场景直接”无界面交互，“需求场景类”无界面交互和“环境场景类”无界面交互”。

1.无场景直接交互：“无场景直接”无界面交互即不通过环境介质，借助一定的技术直接进行信息传输的人机交互。无场景直接交互的典型案例是人机交互领域的脑机接口（ Brain-computer interface.BCls or Brain-machine.nterface，BMls）。腦机接口在人与外部设备间创建用于信息交换的连接通路，通过侵入式、半侵入式或非侵入式的方式让人直接用思想控制机器。无场景直接交互是隐私性极高且最接近自然无感的无界面交互方式。

针对脑机接口的研究目前尚在初始研究，但不断取得突破。2019年7月，Neu ralink公司宣布成功开发出通过在人脑中植入芯片和微型传输线等并可以直接通过USB-C接口读取大脑信号的“侵入式”脑机接口系统，系统具有微创、高信息传输量的特点，如图4和图5。

美国卡内基梅隆大学（CMU）的教授贺斌等人设计出首个成功的非侵入式意念控制机械臂，试验者可以通过意念控制机器臂连续、快速地运动（如图6）。加州大学旧金山分校（UCSF）的团队通过脑机接口实时地从大脑信号中解码出入感知（听到）和产生（说出）的语音，将提取内容转换成文本，准确率均在50%以上。

2.需求场景类交互：需求场景类无界面交互以完成人的实时需求为导向，利用人类五种不同的感官中的听觉、触觉、嗅觉、味觉和以上几种感官的混合，创造第三维度的感知系统，创建无界面交互。

以基于听觉的无界面交互设计案例为例。英国思克莱德大学的Andreas Komninos等人在2012年设计和验证了一种基于听觉的混合现实导航系统，系统使用音频结合气味的概念方式给予游客非可视化的导航（如图7）。

设计者用3D音频的恒定音频流模拟人的脚步声，以声音的方位对应导航的方向，以系统音量的高低对应用户距离导航路线的远近。导航结束后，用户反馈导航效果和交互过程自然流畅，实验结果验证了无界面交互导航的可用性。

随着技术迅猛发展，人们除了借助自身的感觉器官获取外界信息，在很大程度上也依赖各种各样的传感器在自然、日常生活和生产领域中获取更准确和丰富的信息。传感器（ Sensor）作为人类感觉器官的延伸，不断收集、传递和处理海量的数据信息，也被广泛地应用在无界面交互中。

例如Google设计的新型交互传感器Soli，其中的小型雷达芯片被改造成高速和高精度的动作追踪传感器，让人可以在不触碰实物的情况下控制智能产品。通过对人手控制的对象的形态、大小和轨迹的分析，模拟人控制虚拟物体时作用在上面的力，并在虚拟世界产生和现实世界相对应的自然操作效果。例如感应手指的滑动来控制音量，以两指间的碰触动作模拟点击（如图8）。通过数据搜集、行为分析和计算反馈，创造出不可见的“操作屏幕”，

上海大学的朱烨晨利用红外传感器设计出对气味敏感的手表“oWatch”，手表可以将嗅觉信息通过听觉等维度展现出来，给予嗅觉缺失者“嗅觉”相关的情感体[6]。没有图形界面的Jawbone的up智能手环（如图9），设计旨在无缝融入使用者的生活，简单操作即可完成和手环间的自然交互。通过按钮和彩色状态指示灯显示状态，通过传感器实时记录使用者日常活动和运动数据。

麻省理工学院（MIT）将模块化的分布式电子传感器嵌入到弹性织物，开发出智能纺织品E-TeCs。内置的传感器让E-TeCs可以准确读取数据并监测人的生命体征（如温度、呼吸和心律），这一创新可用于个人健康管理和远程医疗等领域。借助人自身的感官和传感器的辅助，大量的计算设备以无界面交互的形态实现完整功能。越来越小型甚至微型的处理设备和传感平台通过手持/穿戴或内置在任意的物理空间中，深入不同的需求场景。

3.环境场景类交互：环境场景类无界面交互的实现依托于物联网，物联网将日常对象（可穿戴产品，智能设备，车辆，建筑物等）与嵌入式电子设备，软件和传感器连接起来，实现环境场景内多设备间数据的传输。环境场景类无界面交互是最接近普适计算理念的设计之一。伴随智能终端和云平台架构的发展，从智能家到智能化物联化的公共场所等，提供的不再是具体的单一的产品，而是一种无障碍的生活环境和无限拓展的可能性。

智能场所（ Smart Places）作为环境场景类无界面交互在现实世界中的应用，具备环境整合和跨平台和设备的能力，正逐步成为人机交互的新环境。智能场所大致可分为室内空间（如智能家居，见图11）和室外公共环境（智慧街道、智慧城市等）。

以智能家居为例。相比利用远程或实时语音，按键/屏幕控制多设备的当前发展阶段，更理想的智能家居场景结合传感器，智能算法和物联网，以智能感应和设备主动调节操作取代传统的“遥控器”。记录和顺应用户的使用习惯，帮助人以更自然无感的交互方式控制家中的智能产品（如智能灯、智能门、家庭服务机器人等）。实现人从室外进入室内，随身的音乐播放设备从耳机无缝转换到家庭音响系统等自然交互。

智能公共场所通过集成光纤，移动网络等构成的基础架构和系统为各种服务和应用提供灵活的，可扩展的支持。充分利用大数据，全面了解用户所处的现实情境，实时响应状态更新，提升在环境中工作，生活和社交的人的生活质量。

工具和智能设备都是人的功能的延伸，如果将昕有设备看作是一个整体。环境场景则相当于一台分体式设备，设备拥有多个不同大小的屏幕，有不同位置的多种传感器和不同的私密性等级。在多设备间建立统一的心智模型，让信息在不同设备间自然流动和表达，达成如同同一个设备的效果。环境场景类无界面是让整体环境场景感应所有动态变化并给出及时反馈，给予用户全方位的支持，减少繁琐的和容易出错的交互步骤，创造出直接、自然和隐性的交互[7]。

三、设计策略研究

无界面交互的最终目的，是带来无感、便捷的，与环境融为一体的设计，更是引领人们接纳更自然的生活方式。交互设计设计的不仅是产品，更是一种良好自洽的生活方式。辛向阳在《设计的蝴蝶效应：当生活方式成为设计对象》一文中提出，如若将生活方式作为设计对象，需要考虑生活中无处不在的体验（ Experience）和“行为（ Behavior）、环境（Environment）、价值观（Value）”这三个基本的要素嘲。无界面交互导向新的设计理念，引导新的生活方式，以不显眼，不打扰的平静方式下给用户赋能。

通过个体行为主导、价值观引导和环境支持，充分地围绕构成交互的五要素：人（ people）、动作（actions）、工具（means）、环境（contexts）和目的（purpose）來推进无界面交互设计[9]。通过反思、重构和行动，使交互方式不断朝着更自然、便捷和趋近人类本能的目标演变，促进人以自然的行为方式生活。

通过研究，笔者基于“生活方式设计三要素”和“交互设计五要素”理论提出无界面交互的设计策略，分别是：感知情境，适应用户（sense the situation and adapt to the user）……最小化干扰以融入环境（ Minimize interference to integrate into the environment）

（一）感知情境，适应用户：感知情境以适应用户，即围绕用户的行为自动改变系统的反应。随着科技的发展，计算机比以往任何时候都能更好地听、看、读懂和理解人类。人机交互的发展从“以设备为主”到“以人的需求为核心”，从‘人适应技术”发展为“技术适应人”且尽可能满足个性化需求。

情境感知（context awareness）即通过传感器等技术让设备感知用户所处情境，了解用户行为动机等，自适应地改变交互方式和场景，主动为用户提供服务。

通过科学算法达到对使用频次、优先级和场景、用户情况的全面了解，不断提升自适应功能的准确性、稳定性和预测性。—方面，利用大数据分析用户信息，结合当前场景建立个性化的用户画像。另一方面，让机器由“被动”到“主动”，通过对用户使用情境和习惯的了解，主动学习以适应用户的行为习惯，创造主动交互，从而满足用户情感和感官的双重需求。例如Google的Nest Thermostat E系列家用恒温器，在安装的前期可以记录用户数据，学习和分析用户行为，持续使用一段时间后可以进行主动的智能化的温度适应和调节。

（二）贴近自然交互行为：无界面交互充分发挥了人机交互中的“隐喻（metaphor）”概念。运用人所熟悉的客观世界中的元素，隐喻虚拟现实世界中的事物，以抽象的语义传递现实事物。人可以调动现实物理世界中的认知和经验解读信息。前文中提到的Google的新型交互传感器Soli就是贴近自然交互行为的典型案例——借由物理世界中的操作经验，让用户在没有针对Soli的直接操作经验的前提下也可以快速上手。

为达到自然交互的效果，需要设计符合人的心智模型。以苹果的AirPods无线耳机为例，耳机内置红外传感器可感应其位置，只需要从充电盒中拿出后置入耳中，便可切换到连接模式，自动播放音乐。AirPods改变了过去传统的蓝牙耳机需要通过设置来回切换以找到对应连接的繁琐流程。

隐喻越贴切，越被人所熟悉，人机交互就越自然。搭载构建无界面交互产品所需的最佳且精炼的信息和通道，以达到高效、无感、贴合自然交互行为的目标。同时，运用恰当的能解决问题的且所需的最少的技术，避免陷入技术崇拜和技术堆砌的误区。

（三）最小化干扰以融入环境：“融入环境”即将信息推向外围，真正从人的角度去设计周边环境与人的交互过程，创造与环境融为一体的设计和体验。人是交互的主体，工具、媒介和环境是交互的客体。现代心理学的研究成果显示：人与周边环境的自然交互过程通常是直觉的、习惯性的甚至无意识的。普适计算的环境下，物理世界与信息空间高度融合[10]，人机交互逐渐变得隐匿和不可见，通过设计减少干扰，将用户的注意力降到最低，让计算设备在背景中运行。

人机交互过程的本质是人机间的信息交换。信息设计的先驱爱德华，塔夫特（Edward Tufte）曾说过，“过载、混乱和困惑并不是信息的特质，而是设计的失败”，人的本性是制造和接受省时省力的工具，交互的核心是信息的有效传递。减少干扰的方式有两种，其一是最简化信息。最简化信息，是以最优化信息交换为中心，提升人作为自主意识的主体在整个人、机和环境系统中的能动性和适应性。

其次是最小化用户注意力，在此引入“中心注意力”和“边缘注意力”的概念。人的注意力可分为中心注意力（center attention）和边缘注意力（ peripheral attention），两种注意力同时并存且可以相互转化。举例来说，老式的烧水壶在烧水的过程中始终处于环境背景中。并不占用用户的中心注意力。但水壶内的水烧开后会发出声响提醒用户，人在听到声音后对水壶进行操作，此时人原本对水壶的边缘注意力转化为中心注意力。

无界面交互的设计需要最小化外界对人的干扰，更多地让产品和系统融入环境背景，以减少对用户中心注意力的占用。让提供功能的产品和系统在不被需要时隐匿不可见，只有当用户需要时才出现。达到人的有限注意力和吸取注意力的产品之间的平衡，让人们可以用最少的注意力实现目标。

四、机遇与挑战

可联网的设备和智能软硬件层出不穷。美国惠普公司预计2020年有近500亿台设备接入移动互联网，至2030年这一数据将增至—万亿台[11]。深入场景、全方位感知、自然且解放双手的无界面交互正成为人机交互未来发展的重要方向之一[12]。伴随着第五代移动通信网络（5G）的逐渐覆盖，以及对物联网数据的开发利用，新一代操作系统、交互技术和下一代计算平台出现后，无界面交互的影响范围将进一步扩大。但无界面交互的发展也遇到了一定的挑战。

首先，界面交互已经十分普及。在从传统的界面交互到无界面交互转变的过程中，希不断提升产品和系统的设计，在使用过程中持续培养用户习惯，让用户逐步地适应无界面交互的方式。以亚马逊智能家居入口之一的Echo智能音响为例。Echo仅提供语音交互方式，将扬声器和麦克风作为交互接口。产品对交互方式的限制保证了语音交互的纯粹性和持续性，培养出用户使用语音与Echo交互的习惯。人机交互的习惯养成后，用户会持续地以特定的交互方式与设备互动。

其次是用户隐私和数据安全的问题。物联网的时代，数据的安全和用户的隐私问题变得更加凸显。通过区块链等技术辅助数据的保存和加密，采取对个人敏感信息进行本地保存等措施，以建立用户信任。

另外，无界面交互需要因时制宜，因地制宜。由于人的五感范围有限，例如由干人眼有限的可视范围，基于屏幕的界面交互天生具备一定的隐私加密性。但是无界面交互的无界面交互的交互方式众多，在合适的用户场景下选择合适的交互方式变得更加重要。例如，在设计时需充分考虑语音交互及大幅度的动作交互是否适合应用在一些拥挤嘈杂的室外场景。

结论

物联网时代的数字化转型正在为无界面交互创造机会，技术和人文的进步，不断推动无界面交互的发展。马克，维瑟曾说过，“影响最深刻的科技能隐藏起来，不被辨别出，却实际存在于日常生活的千丝万缕中”。设计应该强化科技和人性最好的一面，帮助人专注于真正重要的事隋，促进入性自然发展。

The Best Interface Is No Interface.最好的界面是没有界面，最好的设计直达人心，没有边界。交互设计的最终目标是让任务变得简单，使信息重新成为交互的主角。无界面交互满足轻量化和微型化的需求和趋势，覆盖全面的生产、生活和自然场景，顺应人机自然交互，充分体现了普适计算的理念[13]。直到万物互联，人们生活的环境和场所成为一个完整的、智能的和闭环的无界面交互系统，设计与产业全面融合，创造出良好社会秩序和美好生活。.

注释

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

参考文献

[1]Mark WeiserThe Computei for the 21 SL Century[J]Sclenhfic Amencan，1991，265 （3）：96

[2] Golden Krishna扬名译无界面交互：潜移默化的Ux设計方略[M]北京：人民邮电出版社，2017： 99

[3]高婷婷.可感用户界面的交互研究[D]浙江师范大学，2014： 19_20

[4]M Satyanuayanan. Pervasive computing： vision and challenges[J]IEEE Personal Communications，2001，8 （4）：10-17

[5] KomninosA，Barrie P' Stefanis v' etm，Uiban exploration using audio scents[C]，2012

[6]朱烨晨.嗅觉信息可视化的应用设计——嗅觉AR手表'oWatcV[J]设计，2020，33 （05）：10-12

[7]李怡萌.交互设计在智能厨房设计中的应用研究[J]设计， 2020，33 （07）：138-140

[8]辛向阳.设计的蝴蝶效应：当生活方式成为设计对象[J]包装工程，2020，41 （06）：57-66

[9]辛向阳.被忽略的设计本质[C].交互设计体验日演讲实录2010

[10]蒲芳.普适计算中位置感知服务的研究[D].东华大学，2008

[11]谢少毅：2030年，—万亿台设备将接八互联网[J].中国机电工业，2015 （10）：26-26

[12]陶雪琼.人机交互发展历史与趋势研究[J].科技传播，2019，il （22）：137-139

[13]邓力源，蒋晓.基于行为逻辑的隐式交互设计研究[J]装饰，2019 （06）：87-89

图片来源

图4、5 Neuarlink官网

图6B J Edelman，J Meng，D Suma Noninvasive neuroima9ng enhances co皿inuous neural tracking foi iobotic

device control田Science Robotics，2019，4（31）：34 45

图iO Wicaksono，I，Tucker，CI，Sun，t etalA tailored，electronic textile conformable suit for large-scale

spatiotemporal physiologjcal sensingm vivo[J]npj Flex Electron.2020，4 （5）