HMI：人機(jī)整合

人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使之從需要體力操作的簡單手動工具，變成了模糊人機(jī)界限的復(fù)雜電子系統(tǒng)。開始時，絞盤和彈射器等工具擴(kuò)展了人類的能力，其界面可直接用手或腳操作。

這個簡單的人機(jī)界面（HMI）時代推動了人類數(shù)千年的進(jìn)步，甚至連蒸汽機(jī)車這樣的復(fù)雜機(jī)械都是通過物理杠桿和旋鈕控制的。電力的出現(xiàn)標(biāo)志著HMI設(shè)計的重大飛躍，它引入了按鈕、開關(guān)和視覺指示器，實現(xiàn)了更精細(xì)的控制以及與機(jī)器的交流。如今，技術(shù)的進(jìn)步挑戰(zhàn)著人類與機(jī)器之間曾經(jīng)明確的界限，開啟了以更加無縫、互連的方式與機(jī)器融合、互動的新時代，這反映了人與技術(shù)的緊密結(jié)合所帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

HMI的實用性

隨著字符和圖形顯示器的出現(xiàn)以及觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，HMI的實用性大大增強(qiáng)。微控制器和處理器增強(qiáng)了機(jī)器存儲配置信息和簡化操作的能力，從而實現(xiàn)了快速高效的模式選擇。電機(jī)控制和力反饋的發(fā)展將機(jī)器操作提升到了新的精度水平。然而，創(chuàng)新技術(shù)的吸引力未必等同于有效性。例如，早期的虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)在實時頭部跟蹤方面做得并不理想，由于預(yù)期和實際視覺反饋之間存在脫節(jié)，因而會導(dǎo)致用戶感到不適。有效的HMI將直觀性和降低培訓(xùn)要求放在首位，從而提高其實用性。

亮度更高的顯示屏和觸摸屏等先進(jìn)技術(shù)改變了用戶交互方式，盡管在早期版本中存在諸如重新校準(zhǔn)和觸摸功能有限等挑戰(zhàn)。向投射電容式觸摸技術(shù)的轉(zhuǎn)變顯著推進(jìn)了HMI功能的發(fā)展，智能手機(jī)和平板電腦的廣泛應(yīng)用就是例證。這些設(shè)備的直觀性使其無需大量培訓(xùn)即可快速學(xué)習(xí)和操作，即使是兒童也不例外，而且兒童掌握新技術(shù)的速度往往快過成年人。HMI設(shè)計的一個重要方面是確保工作人員在長時間使用過程中的舒適度，盡可能減少疲勞?，F(xiàn)代界面，尤其是平板電腦和智能手機(jī)中的界面，是專為長時間使用而設(shè)計的，但這也引發(fā)了對潛在成癮性的擔(dān)憂。

此外，航空領(lǐng)域的HMI（如平視顯示器）也表明了在長時間使用過程中保持工作人員注意力集中、確保其舒適度的重要性。HMI在設(shè)計時還必須考慮到重復(fù)性應(yīng)力損傷的風(fēng)險，這就強(qiáng)調(diào)了人體工程學(xué)在界面設(shè)計中的重要性，以支持從裝配線工作到辦公環(huán)境等各種職業(yè)環(huán)境中的用戶健康和工作效率。

HMI的安全性

現(xiàn)代VR系統(tǒng)代表了主流技術(shù)的前沿，在這一領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位的是為數(shù)不多的幾家主要公司。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)的普及，未來還可能有更多公司占據(jù)主導(dǎo)地位。VR和AR技術(shù)在創(chuàng)造沉浸式體驗、改善學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境、革新娛樂方式以及提供與數(shù)字內(nèi)容互動的新方法等方面都具備出色表現(xiàn)。雖然這些技術(shù)目前更多地用在游戲中，但未來在工業(yè)控制、工廠自動化和復(fù)雜機(jī)器維修中心等場景下，將會更多地使用這些技術(shù)。先進(jìn)的傳感器和探測器可以讓HMI知道工作人員的手所在的位置，同時支持新的高級手勢控制，如張開或俯沖（圖1）。即使沉浸在虛擬環(huán)境中，也仍然可以通過無線控制器使用手持控制開關(guān)和按鈕。

技術(shù)的進(jìn)步，特別是加速度計和精確頭部跟蹤技術(shù)的進(jìn)步，緩解了虛擬環(huán)境中的分離滯后問題，從而提高了安全性。然而，這些技術(shù)依然面臨多種挑戰(zhàn)，例如在使用沉浸式頭顯時，要讓用戶避開看不見的障礙物，需要通過視覺和聽覺信號發(fā)出邊界警報。帶有傳感器的全向跑步機(jī)通過跟蹤用戶運動，為虛擬空間中的安全運動提供了一種解決方案。AR則通過將數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實世界中，讓用戶能夠真正看到障礙物，從而提供了一種更安全的替代方案。這項技術(shù)尤其適用于航空航天等專業(yè)領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，AR可以通過突出顯示組件來簡化噴氣發(fā)動機(jī)維修等復(fù)雜任務(wù)，并有望發(fā)展到支持3D投影，從而實現(xiàn)更直觀的交互。

AR頭顯中的手勢識別技術(shù)可實現(xiàn)精確控制和互動，提高各種應(yīng)用中的任務(wù)效率，包括在視聽提示引導(dǎo)下進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)械維修。這些系統(tǒng)不僅能提高任務(wù)效率，還可以實現(xiàn)超出人類自身能力的缺陷檢測。然而，對于工業(yè)控制和遠(yuǎn)程軍事行動（如駕駛無人機(jī)）中的應(yīng)用，HMI必須兼顧靈敏度和穩(wěn)健性，確保在附近發(fā)生爆炸或工作人員意外移動等情況下的可靠性，并配備安全機(jī)制以防止意外動作。

HMI的經(jīng)濟(jì)性

要實現(xiàn)先進(jìn)的HMI，必須配備關(guān)鍵的子組件。得益于手機(jī)和平板電腦的迅速普及，高分辨率、低成本的顯示屏隨處可見，而且經(jīng)濟(jì)高效。加速度計和小型、低成本、高分辨率攝像機(jī)也是如此。大批量應(yīng)用能夠以更低的成本來利用這些技術(shù)。

VR界面通常使用薄膜晶體管液晶顯示器（TFT LCD），而AR技術(shù)則更傾向于使用有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器，因為它具有更高的透明度和柔性，并且不需要背光。盡管目前的OLED技術(shù)成本較高且不夠成熟，但電視和智能手機(jī)行業(yè)正在迅速采用該技術(shù)，這表明未來成本將會降低，可用性也會提高。在軍事和航空航天領(lǐng)域，HMI設(shè)計將耐用性和使用壽命放在首位。

然而，并非所有應(yīng)用都需要如此長的平均故障間隔時間（MTBF）。在平衡耐用性、成本效益和可維修性以防止現(xiàn)場故障時，技術(shù)精湛的設(shè)計團(tuán)隊至關(guān)重要。同時，一些制造商會采用計劃報廢的做法，旨在鼓勵定期升級到較新的型號，從而在產(chǎn)品壽命和創(chuàng)新周期之間取得平衡。

HMI的現(xiàn)狀

平板電腦和手機(jī)越來越多地取代臺式機(jī)和筆記本電腦，用于個人瀏覽、流媒體、電子郵件和文檔編輯等基本辦公功能，甚至在某些商務(wù)環(huán)境中，觸摸屏筆記本電腦將傳統(tǒng)計算與移動設(shè)備的便攜性和直觀界面融為一體。但在某些應(yīng)用中，情況并非如此，CAD和CAE設(shè)計就屬于此類。大尺寸、高分辨率的顯示器能讓印刷電路板（PCB）的設(shè)計變得更簡單、更輕松、更不易出錯。

如果一家聰明的CAE制造商開始提供基于VR的PCB或芯片布局工具，并利用先進(jìn)的成像和界面（如語音識別），請不要感到驚訝。語音識別技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但幾乎所有使用語音轉(zhuǎn)文本應(yīng)用的人都知道它還不夠完美。隨著先進(jìn)的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)被用于過濾背景噪音和辨別細(xì)微差別，語音識別技術(shù)將不斷改進(jìn)，一旦AI硬件開始做出決策并考慮上下文，語音識別技術(shù)將繼續(xù)改進(jìn)，達(dá)到公認(rèn)的可靠性。

觸感同樣重要

一些應(yīng)用，如遠(yuǎn)程手術(shù)，需要的觸覺反饋不僅僅是簡單的點擊，還需要精確的力反饋來模擬各種操作，例如模擬出使用手術(shù)刀等工具時感受到的阻力。這種沉浸式體驗需要低延遲和精確反饋，以確保外科醫(yī)生能夠施加正確的壓力。除了手套外，高端游戲座椅等產(chǎn)品還能模擬運動中的g力，帶來逼真的駕駛或飛行體驗。

神經(jīng)接口和更多未來技術(shù)

在過去十年中，神經(jīng)接口的研究和開發(fā)取得了長足進(jìn)步，為因意外或先天性疾病而殘疾的人士提供了新的出行和功能選擇。初始，這項技術(shù)通過表面?zhèn)鞲衅鳈z測神經(jīng)脈沖或肌肉運動來控制假肢。隨著DSP技術(shù)和計算能力的進(jìn)步，通過訓(xùn)練的人士可以對假肢進(jìn)行更復(fù)雜的多傳感器控制。

神經(jīng)接口技術(shù)的一個關(guān)鍵發(fā)展是將電極直接插入人體（包括大腦），以治療帕金森病等疾病和促進(jìn)心臟起搏。一項值得注意的早期成就是在20世紀(jì)70年代實現(xiàn)的生物硅接口，它將蛞蝓的神經(jīng)元連接到集成電路（IC），利用蛞蝓的大型神經(jīng)元開創(chuàng)了神經(jīng)接口研究的先河。在這一基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了能夠?qū)C與人腦直接連接的精密多傳感器/刺激器接口。2004年，一位色盲藝術(shù)家接受了植入，使他能夠感知正常視覺光譜以外的顏色，從紅外線到紫外線，這是一項具有里程碑意義的突破。這不僅彌補了他的色覺異常（全色盲），還增強(qiáng)了他的感官能力，標(biāo)志著通過技術(shù)增強(qiáng)人類能力邁出了重要一步。

在最近的技術(shù)發(fā)展中，Neuralink公司開發(fā)了一種芯片，可與負(fù)責(zé)運動控制的大腦區(qū)域連接，使用戶能夠通過思維來操作手機(jī)和電腦等設(shè)備。這項技術(shù)以檢測神經(jīng)元放電模式為基礎(chǔ)，未來的潛在應(yīng)用包括運動功能恢復(fù)、疼痛控制和感官增強(qiáng)，如實現(xiàn)紅外光譜視覺或超聲波頻率聽覺（圖3）。對神經(jīng)活動解碼的研究仍在進(jìn)行中，其可能的應(yīng)用范圍包括情緒和健康監(jiān)測，以及對暴力行為的預(yù)先識別，展示了神經(jīng)接口不斷發(fā)展的豐富功能。

大腦植入接口的其他用途

神經(jīng)接口有望在娛樂、醫(yī)療檢測、干預(yù)和情緒調(diào)節(jié)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。這些技術(shù)將超越機(jī)器控制和醫(yī)療假肢的傳統(tǒng)用途，有可能徹底改變我們與數(shù)字環(huán)境的交互方式和健康管理方式。先進(jìn)的神經(jīng)接口可以實現(xiàn)完全沉浸式的娛樂體驗，完全在用戶的頭腦中模擬感覺，并預(yù)示著虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實新時代的到來。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，由于嵌入式傳感器能夠自動給藥并向醫(yī)療服務(wù)提供者發(fā)出警報，神經(jīng)接口可能很快就能檢測并預(yù)先處理癲癇發(fā)作、心臟病發(fā)作和中風(fēng)等醫(yī)療狀況。

此外，這些界面還能通過實時監(jiān)測大腦化學(xué)成分，為控制情緒波動和抑郁提供創(chuàng)新方法，從而保持精神健康。神經(jīng)接口的廣泛潛力是顯而易見的，但它也將隱私、同意和自主權(quán)問題提到了更加需要認(rèn)證考慮的地位，以確保其開發(fā)和應(yīng)用符合道德準(zhǔn)則。

結(jié)語

HMI已從基本工具發(fā)展成為先進(jìn)系統(tǒng)，模糊了技術(shù)與生物之間的界限。早期的機(jī)械控制裝置已經(jīng)演變成復(fù)雜的電子界面，提供精確的控制和反饋。神經(jīng)接口的開發(fā)增強(qiáng)了殘疾人的行動能力，并為腦機(jī)直接通信鋪平了道路?，F(xiàn)在，先進(jìn)的HMI可提供身臨其境的體驗和更好的控制，未來的創(chuàng)新有望進(jìn)一步將技術(shù)融入人類體驗，從感官增強(qiáng)到醫(yī)療干預(yù)。隨著HMI技術(shù)的進(jìn)步，它們有望擴(kuò)展人類的能力并提高生活質(zhì)量，從而實現(xiàn)技術(shù)與人類生活無縫連接的未來。

參考文獻(xiàn)

[1] Barbara Symonds Beltz. “The Salivary System of Limax Maximus: Morphology and Peripheral Modulation of Buccal Neurons by Salivary Duct Afferents.” PhD diss., Princeton University, 1979. ProQuest (7928466).

[2]? Michelle Z. Donahue, “How a Color-Blind Artist Became the World’s First Cyborg,” National Geographic, April 3, 2017

[3]? Denise Chow, “Behind Elon Musk’s Brain Chip: Decades of Research and Lofty Ambitions to Meld Minds with Computers,” NBCNews.com, February 4, 2024

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