人機交互視角下可穿戴水上救生產品設計策略研究

白楊 張繼曉

關鍵詞：水上救生 可穿戴設備 人機交互 救生產品 設計策略

引言

傳統水上救生產品以提供浮力和確定浮力分布為主要設計方向，隨著科學技術的不斷革新，人們對水上救生產品的需求也隨之增加。傳感器、數據處理與移動物聯網等可穿戴技術被引入救生領域之中，水上救生產品變得越來越智能化，可穿戴式救生產品已經成為水上救生重要研究方向?？纱┐魉暇壬a品與傳統水上救生裝備相比，具有更便攜、更安全更舒適等特點，這樣的轉變必然帶來全新的人機交互方式與行為產生。便捷的人機交互方式成為可穿戴水上救生產品設計研發主要考慮的方向。本文通過對可穿戴水上救生產品的分類梳理并對其功能及交互方式進行分析，對可穿戴水上救生產品人機交互的現存問題進行系統歸納，分析這些問題對產品交互行為的影響，總結歸納出人機交互下的可穿戴水上救生產品設計策略。

一、可穿戴水上救生產品概述與分類

可穿戴設備是指可直接放置皮膚上，或與紡織產品結合穿在身體上的微電子設備，通過傳感器、智能交互、數據處理平臺以及移動互聯網等技術的綜合運用，從而實現對人體或周邊環境的相關信息進行檢測、處理和傳輸[1，2]。水上救生裝備是人們在水域活動時保障生命安全的水上防護用品，主要分為個體救生裝備和集體救生裝備，個體救生裝備是指可隨身攜帶，供個體在緊急狀態下使用的能夠提供浮力，保證落水者漂浮在水面的救生工具[3]，其中包括救生衣、救生圈和浮板等種類。隨著可穿戴技術的不斷發展，水上個體救生裝備從最初的基本浮力保障，轉變為加入傳感器等裝置的智能可穿戴水上救生產品，為保障人體安全提供了多種可能。本文所提出的可穿戴水上救生產品是指基于可穿戴技術的能夠佩戴在身上的個體防護和救生產品，如圖1。

按救生方式分類，可穿戴水上救生產品可分為監測警報和安全漂浮兩種類型。

（一）監測警報類

水上救生產品的落水警報功能有助于提高救援者對落水人員的搜救效率，使落水者及時獲得救援。iSwimband兒童防溺水裝備（圖2-a）利用藍牙發射器與移動設備的應用程序相連接，有效監控距離在30米內，內置的環境傳感器在水下超過設置時間會自動向移動設備發送警報。1st Mate海上救生設備（圖2-b）通過可穿戴設備、應用程序與中央集線器結合生成智能安全網絡；分為船長和乘客兩個系統：在乘客系統中，設備具有向應用程序發送求救信號和 GPS 定位的功能，并在應用程序上提供救援路線；在船長系統中，設備在乘客系統的基礎上增加了切斷發動機動力的功能。海上落水報警定位裝置（圖2-c）具有落水自動報警、手動報警和一鍵報平安功能，不僅可以通過公網進行實時監控，還可以利用北斗短報文將落水者的位置發送給預設的聯系人。

（二）安全漂浮類

水上救生產品的浮力獲得，主要基于充氣氣囊和固有浮力材料兩種方式?？纱┐魉暇壬a品主要采用氣囊式，不僅可以提供基礎浮力還可以保證救生裝備的適體性，能夠給使用者較大的活動空間，減少水上運動時的不適感。Kingii充氣手環（圖3-a）操作簡單，落水者拉動銀色手柄后，高壓氣罐迅速向氣囊充氣就能將落水者拉到水面，并配備了安全哨和指南針以便進行自救。Ploota救生項圈（圖3-b）內置環境傳感器檢測在水下時間過長氣囊可自動充氣，也可以手動操作打開充氣氣囊，把落水者的頭部迅速抬至水面以上。SeeArch個人漂浮裝置（圖3-c）可與救生衣搭配使用，在打開充氣裝置后形成高1.5米的三角拱門形漂浮物，充氣拱門可充當吊索，使救援人員把落水者拉出水面。Lifeshirt救生衣T恤（圖3-d）需要手動操作打開氣囊裝置或用口腔閥充氣，氣囊充氣后自動激活傳感器，向移動設備發送警報及位置。

可穿戴水上救生產品不論是監測警報類還是安全漂浮類都不具備顯示屏，人機交互主要使用者通過傳統物理操作（打開氣囊或觸摸按鍵）、傳感器進行環境數據探測和設備向應用程序發送信息三種方式。這三種交互方式本質上是兩種人機交互類型：一是人主動與產品進行交互，如使用者打開氣囊或觸摸按鍵；二是產品主動感知并與人進行交互，例如產品通過傳感器采集環境信息并向移動程序發送信息。

二、可穿戴水上救生產品人機交互的現存問題

人機交互以實現自然、高效、和諧的人機關系為目的，研究人、計算機以及它們之間雙向信息交換的技術[4]。隨著計算機硬件的不斷發展，傳感器、移動物聯網等核心技術的載體變得越來越小巧化與輕便化，設備的適體性方面得到優化，使得可穿戴設備在人們日常生活中得到普及?？纱┐髟O備成為人機交互的媒介，將電子設備作為人體器官的延伸，使得人機交互方式發生了本質變化。交互界面在可穿戴設備上不再局限于傳統設備的電子屏幕，設備通過傳感器感知使用者或環境，推理使用者意圖并輸出?？纱┐魉暇壬a品把傳統圖形界面的交互轉化為執行動作或感知反饋信息的交互方法，輸入與輸出設備的功能操作主要在移動應用程序上完成的，傳感器通過感知環境來進行判斷，甚至不需要使用者與設備直接交互。無形的交互界面把人們從傳統的圖形界面的束縛中解脫出來，人類與機器的交流更加生動與自然。

雖然可穿戴水上救生產品較于傳統水上救生產品有智能和便攜的優點，但同時也存在諸多問題。

（一）忽視使用者需求

掌握使用者的需求可以使產品提供良好的交互方式和用戶體驗。雖然可穿戴技術的水上救生產品種類繁多，但大多數人在進行水上活動時依舊選擇傳統救生裝備。造成這種現象主要有兩個原因：一部分是受技術影響，當下可穿戴技術尚未完全成熟，人機交互產生阻礙，產品不能更好地服務于人；更為重要的原因是，設計者忽視使用者的需求在人機交互過程中的重要作用，導致救生產品在實際應用中未能達到預期效果。因此，人機交互下的產品設計需要了解使用者與產品的關系，即使用者購買產品時的目的，如何使用產品以及使用產品后所期望達到的效果。通過上文的分析可以看出，監測警報與安全漂浮兩種類型的水上救生產品功能相對獨立，不能同時兼顧。例如，監測警報類可穿戴水上救生產品具備GPS定位、警報與設計救援路線等功能，適用于開放性水域的落水救援，但無法使落水者安全漂浮于水面，必需搭配其他能夠提供浮力的救生產品一起使用。這是由于設計時沒有考慮到使用者的使用情境和方式，導致產品功能無法滿足使用者需求。

（二）單一的交互方式

可穿戴設備具有語音、眼動和手勢等多種交互方式，但由于水上救生產品的使用環境及應用場景較為特殊，因此在交互方式的選擇上會受到一定程度的限制。安全漂浮類的水上救生產品以物理操作為主要交互方式，即手動打開充氣裝置為氣囊充氣。這種方式雖然可靠，但不能夠很好地滿足人機交互過程中所要求的高效與便捷，加重了使用者的操作負擔。監測警報類的水上救生產品以基于環境感應的傳感交互為主要交互方式，通過傳感器采集環境信息來判斷使用者是否需要救援。然而這種交互方式判斷溺水方法容易產生誤判，例如，有使用者曾將兩個iSwimband兒童防溺水頭帶置于水下三分鐘后，其中一個設備發出警報，另一個始終沒有警報。單一的交互方式使產品不能準確地判斷使用者是否溺水，并且不穩定的使用狀態難以給予使用者足夠的安全感，也無法使人們更好地應對在水域活動時所面臨的復雜問題。

（三）被動的顯式交互

目前，可穿戴水上救生產品以顯式交互為主要交互方式，即使用者通過鍵盤，按鈕，觸摸等方式主動輸入的交互過程[5]。顯式交互在進行精準明確的交互過程中發揮著不可取代的作用，但卻屬于被動的交互方式，即使用者需要集中注意力輸入明確的交互指令，產品被動地接收指令并執行。這種被動的交互方式具有一定局限性：一方面可穿戴水上救生產品追求小型化與便攜化，導致交互界面較小或沒有交互界面，難以滿足顯式交互的需求；另一方面，顯式交互需要使用者主動輸入明確指令來打開救生裝置，占用使用者的注意力資源，而人體在落水時精神緊張難以集中注意力輸入精確的指令。因此，被動的顯式交互方式無法實現水上救生產品在交互過程中所要求的高效與便捷，難以達到快速、智能的救生目的。

三、人機交互下的可穿戴水上救生產品分析與設計策略

通過上文的分析可以發現，融合了可穿戴技術的智能水上救生產品，對比傳統的水上救生產品，其交互方式已很大的區別，導致人機交互方式也發生了變化。因此，需要對可穿戴水上救生產品人機交互的現存問題進行進一步分析歸納，尋找能夠實現高效、便捷、安全的人機交互的設計策略，使可穿戴水上救生產品更好地保障使用者的生命安全。

（一）人機交互下的可穿戴水上救生產品問題分析

1.核心需求層次歸納與分析

人機交互的核心在于滿足使用者的需求。研究使用者核心需求可以優化人機交互方式，從而提升使用者的用戶體驗。美國心理學家馬斯洛于1943年提出了“馬斯洛需求層次理論”，將人的需求分為五個層次，從低到高分別為：生理、安全、社交、尊重及自我實現需求。以上五個層次由低級向高級逐級發展，在多種需求未被滿足時，滿足低層次的需求更為迫切；某一層次的需求被滿足后，人們會尋求更高層次的滿足；每個需求層次之間是交叉重疊的關系。依據馬斯洛需求層次理論，得到水上救生需求的五個層次，如圖4。其中生理與安全需求為核心需求。在可穿戴水上救生產品設計過程中，應將保障人的生理需求與安全需求作為設計的首要任務，其次是考慮使用者的溝通需求與情感需求，再次是自我實現需求。

依據以上五個需求層次，可以逐級實現可穿戴水上救生產品三個功能層次。由低到高分別為：實現安全漂浮、示位、警報等對人體保護的基本核心功能；滿足情感需求的語音交流、信息傳遞等功能；以滿足自我實現需求的對他人實施救援的功能。同時，可穿戴水上救生產品的功能層次應符合人機交互設計的兩個目標，即可用性目標與用戶體驗目標[6]。如圖5?？捎眯阅繕酥饕府a品滿足效率、有用、身心安全等使用者行為層面的目標，可穿戴水上救生產品中核心功能需要滿足行為層的可用性目標。用戶體驗目標則需要產品滿足使用者情感層面的，如情緒、安撫、愉悅感、獲得感、美感等目標。信息傳遞、語音交流和對他人進行救援這兩個層次功能則需要滿足用戶體驗目標?？捎眯阅繕伺c用戶體驗目標是相互關聯與補充的整體性關系，可用性通常是用戶體驗的基礎，而用戶體驗又會反作用于可用性。

2.細分差異下的需求分析

使用者需求與產品功能之間的關系，會影響人機交互方式是否精準。因此需細分人群、環境、用途差異下的需求，使之與產品功能相匹配。

2.1 人群差異下的需求分析

不同人群在落水時的行為動態與心理變化，導致可穿戴水上救生產品的需求差異，如表1。兒童群體身體尚未發育成熟，而老年群體身體各機能衰退，使得這兩個群體在落水后均不能進行有效的自救援。因此，需要通過優化人機交互關系，使水上救生產品具有對行為動態的識別判斷功能。例如，劉永慶等通過將加速度傳感器固定在手腕和腳腕的實驗測試與分析，計算出不同泳姿的加速度特征分析。對泳姿，劃臂等行為動態的識別與分析，可以及時發現溺水情況。

2.2 環境差異下的需求分析

根據使用者所處的水域環境的差異，可穿戴水上救生產品的基本需求也不同，如表2。水上救生產品在滿足安全漂浮的基本要求后，在封閉水域使用時，要首先考慮產品的便捷性與適體性，以滿足使用者在水下自由活動。而在開放水域使用時，則要優先實現示位、通信等營救功能，以便救援者可以準確地定位落水者快速實施救援。

2.3用途差異下的需求

可穿戴水上救生產品的用途廣泛，面對不同使用場景，產品的功能也應做到精準匹配。如表3。能夠進行水上運動的場所具有良好的營救設施，因此一般不配備GPS定位，通訊等功能。而軍用水上救生產品作為單兵作戰防護裝備，在安全漂浮、示位、營救等方面需要比民用水上救生產品的要求更高，且需具有防彈功能。

3.主動的隱式交互方式分析

隱式交互方式具有主動預測與救援功能。其不需要使用者持續集中關注產品并輸入指令，就可以測量、獲取人體生理信號、運動狀態和環境信息，突破人體的生理局限，幫助使用者在無意識情況下完成救生功能，降低使用者對設備認知負擔，提升交互質量。例如，人體在溺水早期（一分鐘內）生命體征會產生血壓升高、心率增快等變化。面對這種生理變化，采用生理傳感器來檢測人體的生理參數，通過隱式交互方式主動評估使用者的身體狀況，可提升救援效率。NJFarin 等 設計并實現了一種利用可穿戴式傳感器來實時監測人體心率的檢測系統，當心率過高或過低的異常狀況時可以及時向用戶發送警告信號。但就目前的技術而言，單純依賴基于傳感器的生理監測或環境監測，依舊無法完全保證監測數據的準確性。

（二）人機交互下的可穿戴水上救生產品設計策略

1.基礎保障：以滿足核心需求層次的設計定位

將可穿戴水上救生產品的可用性目標作為用戶體驗目標的基礎，需要遵循核心需求層次優先的設計方法，把保障人的生理需求與安全需求作為設計的首要目標和定位。

滿足核心需求層次需要科學合理的浮力分布。水上救生產品的設計過程中需要掌握溺水時人體行為特征，通過分析浮力分布位置，來控制落水者在水中的姿勢?？茖W的浮力分布結構可以保證人體在溺水時，無論是處于何種姿勢與是否處于昏迷狀態，都能在幾秒鐘之內自動翻轉落水者，使其的口鼻高于水面之上，以保證落水者的生命安全，滿足水上救生的生理需求。

安全適體的結構設計可以優化產品的核心功能。人體在靜止時，身體各個部位的尺寸與維度是相對穩定的，而在活動時，人體的各方面數據會相應發生變化。因此，除了要把握人體的基本尺寸，更要對人體在水下運動時身體各部位的運動范圍、頻率和幅度等方面進行分析與研究。從人體工程學的角度掌握人體運動時的變化量，保證水上救生產品的適體性結構設計，滿足使用者在水下自由活動的要求，從而保證水上救生產品被高效且安全的使用。

2.精準施策：細分使用者需求類型的設計方法

細分使用者需求可以在設計中避免技術需求優先帶來的被動式與需求不對應的弊病。人群、環境、用途差異下的需求，這三者需求類型既相對獨立，又相互作用。若只對其中一方面進行考慮，產品則不能完全滿足使用者需求，也無法保證人機交互的流暢順利。因此，在設計過程需要同時考量這三個方面的差異，尋求最優的需求與功能匹配方案，才能夠精準定位產品的具體功能，并明確交互方式。如圖6。權衡考量環境、人群、用途三種差異下的需求，構建三者間需求集合，形成設計的條件需求，最終將其轉化為產品的具體功能。細分使用者需求類型的設計方法能夠使可穿戴水上救生產品被高效且安全的使用，同時對使用者起到合理有效的防護。

3.高效協同：顯、隱式交互方式的共同作用

顯式交互與隱式交互方式通過相互關聯，使整個人機交互過程自然順暢，同時擴展人機交互方式的維度。例如，充氣裝置有手動充氣，自動充氣兩種方式，分別對應顯式交互與隱式交互方式，同時使用兩種方式，可以在自動充氣失效時，直接采用手動充氣保證落水者生命安全。對可穿戴水上救生產品核心功能的交互方式進行梳理，得到核心功能的顯式與隱式交互方式，如表4。在設計過程中采用顯、隱式交互方式共同作用的設計方法，能夠提高核心功能的人機交互效率，使可穿戴水上救生產品的感知系統突破人體的生理局限，幫助使用者在無意識情況下完成救生功能，快速且高效實現對落水者的救援或自救，最大程度保障使用者的人身安全。

結語

基于可穿戴技術的水上救生裝備已成為救生領域的研究方向，并擁有著廣闊的發展空間與潛力。當前，可穿戴水上救生產品在設計上缺乏創新，忽視用戶需求、無法實現高效的人機交互等問題成為阻礙救生產品發展的重要原因。因此，設計者在設計與研發的過程中應以可穿戴設備作為人機交互的媒介，探索以核心需求層次優先的交互基礎邏輯、細分使用者需求類型后的精準交互方式和顯、隱式交互方式的共同作用的設計策略，實現高效、便捷、安全的人機交互，從而更好地保障使用者的生命安全。此次研究為人機交互視角下的可穿戴水上救生產品提供新的思路與參考，對未來更安全、便捷、智能化的水上救生產品的再升級具有一定的參考價值。