生物启发式设计丨基于情境感知的智能产品

来源：Ang Liu, Ivan Teo, Diandi Chen, Stephen Lu, Thorsten Wuest, Zhinan Zhang, Fei Tao.Biologically Inspired Design of Context-Aware Smart Products[J].Engineering,2019,5(4):637-64

信息通信技能（ICT）和网络物理系统（CPS）的快速发展为各种智能产品的遍及铺平了道路。
产品智能包含多个角度，情境感知是关键的一种。

情境感知是指产品能够准确地阐明其所处的独特环境，从而有目的地实行适当的操作。
人们已经开拓了许多情境感知信息系统（如推举系统和移动运用程序），情境的加入可以显著提高这些信息系统的有效性。

与人工制品不同，各种生物系统具有非凡的情境感知能力。
例如，蜜蜂可以通过偏振光感知外在环境，通过电感想熏染（electroreception）来定位花粉、感知雷暴景象，通过摆尾舞与差错互换情境信息。

生物启示式设计（BID）对设计界来说并不陌生。
一方面，BID已被证明有助于提高设计创意，增加构思多样性，引发创新；另一方面，BID与内在障碍有关，如生物学家和工程师之间的沟通障碍、建立初始类比的困难及思维定式。

一种新的智能产品生物启示式设计框架被提出，用以支持情境感知智能产品的生物启示式设计，即“BID-SP框架”。

BID-SP框架以功能-行为-构造理论为根本开拓而成。
“功能”“行为”“构造”分别描述了“工具用来干什么”“工具能做什么”“工具是什么样的”。
这个框架规定了却构化设计过程，借助各种生物启示，支持不同的观点设计活动，如问题形成、构造重构、行为重构和功能重构。
一些现有的设计方法和新兴的设计工具也被纳入框架。

从情境认知的角度来看，BID-SP框架辅导设计师来回穿越于三个相互关联的“天下”，即期望天下、阐明天下和外部天下。

首先，期望天下由设计师的期望构成，即为了知足客户需求，产品应如何运行、表现和布局；其次，阐明天下是由设计师的理解构成，即为了分别在自然选择和市场竞争中胜出，生物系统和人工制品如何运作、表现和布局；末了，外部天下指的是生物系统和人工制品所处的现实天下。
现在，许多智能产品存在于两个外部天下——物理天下和数字天下。

图1阐明了产品设计中范例的三类生物启示。

☝ 图1 FBS框架中的生物启示式设计

（a）产品设计中范例的三类生物启示；

（b）生物启示式智能产品设计过程。

R：需求；F：功能；Be：预期行为；

Bs：实际行为；Sb：生物构造；

Sa：人工构造

类型I：对生物系统的理解，启示设计师调度对人工制品能或不能做某动作以及动作的内容、办法和程度的期望。
例如，不雅观察蜜蜂如何折衷行为，令设计师想知道无人机可以在多大程度上以类似的办法同步动作。
这种生物启示紧张发生在系统设计过程中明确任务的阶段。

类型II：在阐明天下中，对生物系统的理解会影响对人工制品的理解。
这种生物启示一贯是之前许多设计研究的重点。
本色上，这涉及通过制订一组办理方案中立的函数，在生物系统与人工制品之间建立类比，泛化生物系统的事情事理，并运用于人工制品。
这种类型的生物启示紧张发生在系统设计过程观点设计的阶段。

类型III：在外部天下中，可以通过直接不雅观察、剖析和丈量生物系统的物理构造和机制来得到设计启示。
这种生物启示虽然是最直接的，但很少会带来打破性的创新，由于它强调实例设计。
此外，外部天下中的生物系统和人工制品之间存在双向浸染，人工行为对生物系统的演化施加着故意或无意的影响。

如何利用BID-SP框架来开拓智能产品？研究职员履行了一项案例研究，任务是重新设计扫地机器人iRobot Roomba 650 (Roomba)，使其更具有情境感知能力。

图2展示了完全的功能层次构造，突出显示了与情境感知干系的功能。

☝ 图2 情境感知扫地机器人的功能层次构造

机器人得到了一组新功能，这些新功能都是基于情景感知而制订的；对付每种与情境感知干系的功能，根据生物学灵感提出了多种产品设计替代方案；通过将其实际行为与相应生物系统的预期行为进行比较，对所提出的替代方案进行定性评估。

✎改编丨沈晓晶

中国工程院院刊

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