数字技术研究

数字技术研究(世哲手册)

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第20章有形界面:技术与学习交互

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第21章物质计算：将技术融入物质世界

引 言

环顾自己的住所，我发现电子设备非常多，而且品种多样，从简单的(非计算性)移动式插座与咖啡研磨机，到我的笔记本电脑与智能手机等复杂设备，还有介于这两类设备之间的打印机、无线路由器、冰箱、搅拌机、洗衣机和微波炉等。所有这些设备彼此非常不同每一种设备都是针对专门任务而设计的，它们的大小不同，每种设备都有独特的输入(按钮、旋钮、开关)和输出(屏幕、光线、马达及声音）。

然而，尽管有这么多的差异，家里的电子设备还是有几个显著共性。这些设备几乎都完全是由塑料与金属制成的，而丝毫没有木头、陶瓷与织物等材料。这些设备都又硬又滑，颜色方面几乎都是黑色、灰色或白色。在形状方面，几乎都是长方形的从轻薄的笔记本电脑到笨重的冰箱都是如此。我与这些设备的主要交互方式无非就是按按钮、撤开关或扭动旋钮。

长期以来，研究人员一直声称，我们要创建的界面不应只是按钮、键盘与旋钮—而应该是让整个身体参与，提升我们对物质世界的直觉理解(Ishiiand Ullmer,1997;Weiser,1999)。许多简练的原型机曾探讨过这些理念，然而，设计者受限于他们所能接触到的电子材料—即电路板、电线及标准电子元件。物质科学与材料工程领域日益增多的研究已极大地扩展了技术设计者可用的材料。

本章对这些发展进行了调查，探讨了技术设计者可用的新材质，以及使用这些材质来挑战技术外观、感觉与功能的项目。我分析了可用于电子设计的多种材料，包括织物、油漆、纸张和木头，讨论了将这些材料融入新技术的做法

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更确切地说，我讨论的是各种材料如何被用作：①连接器(或电线），将一个元件与另一个元件连接起来；②输入（或感应器)，捕捉人或环境的信息；③输出(或执行器)，向世界展现信息或行为。本章的核心可分为三部分，分别探讨这三个领域。

物质计算

对连接器、输入与输出开展调查之前，我们不妨先花点时间更仔细分析一下物质计算这一概念。我们可以通过不同方式来增加用于交互设计的材料种类。比如，我们用以制造电子设备的各种材料。

本章主要讨论的是用非同寻常的材料制造的电子设备。我会分析构成电子设备本身核心元件的材料。同时，我也会评述各种类型的材料，包括塑料、金属、织物与纸张。

由于篇幅限制，我们不可能对此话题进行长篇累牍的叙述，本章的主要意图是让研究人员了解该领域的发展状况，介绍几个充满想象力的或令人兴奋的案例。我的着眼点在于基于物质的连接器、感应器与执行器，这些设备能够由交互设计者、计算机科学家与工程师建造并使用；对于只能在物质科学实验室内建造的物质或设备的分析则笔墨较少；因为我曾有过在电子织物、可穿戴计算与教育技术领域的经历，所以我将重点介绍这些应用领域。

物质连接器(导管)

银、铜与金是三种导电性最好的金属。非金属材料也可以是高导电性的，其中就包括碳与本身具有导电性的聚合物(Inzelt,2010)。过去近八十年里，这些材料与其他材料相结合，或应用于其他材料中，来创造具有导电性的纸(Huet al.，2009)、织物（Shim et al.,2011）、墨水（Russo et al.,2011）、合成橡胶（Ruschauet al.,1992)、黏土(Johnson and Thomas,2010)及玻璃(Fraser,1973)。此类材料中，多数现已可以用于商业用途，交互设计者正将其应用于越来越多的项目中。图21.1显示了用不同材料构造的三个简单电路。一个是用导电纤维焊接在一起，一个是将导电墨水涂到纸上，还有一个是用导电黏土捏出来的。

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及其文化含义。

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当前的材料研究还在增加导电体的品种。比如，碳纳米管(CNTs)被用于制作导电墨水、纸张与织物(Baughman et al.,2002; Paradise and Goswami, 2007;Shim et al.,2011)。碳纳米管强度高、导电性强、有弹性(Paradise and Goswami,2007)。不过，接触此类材料可能有非常大的健康风险(Lam et al.,2006)，因此尚未被广泛运用于消费品。

虽然最新材料往往局限于实验室中，但研究人员也在优化技术，使新材料更易于理解，更便于用户使用。比如，拉索等人(Russoetal.)近来开发了一款钢笔，其功能与传统的“中性笔”一样，但能写出具有导电性的银色笔迹(Russoet al.，2011)。图21.1显示的纸上电路正是用这种笔快速绘制的图样或电路。

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有些时候，某种新的导电材料会推动一门新学科的诞生，比如，电子织物领域就是由导电纤维和织物推动的。电子织物工作人员使用导电纤维和织物将传统电子元件严密地整合到织物中(Postetal.,2000;Berzowska,2005a)。实际上，他们是用织物材料代替了电线和电路板。

图21.2正是基于该理念的典型设计案例。图片左侧的外衣由迪菲斯(Diffus)设计，在这件外衣中，迪菲斯用导电纤维将化学感应器、微控制器与发光二极管连接起来。这件外衣感应到污染程度，然后将其呈现为闪烁光。右侧的衣服是由Studio5050设计的“马赛服”，可用作奇妙的乐器。衣服前面是用导电纤维串起的金属珠子，能发出悦耳的铃声。用纤维与织物代替电线，这一看似简单的行为，不仅推动了新的设计，也催生了新的职业群体(Buechleyand Hill,2010)。

用导电涂料代替电线也带动了新的研究。图21.3显示的是我的研究团队的一个名为“LivingWall”的项目，该项目探讨的就是导电涂料的部分可能性(Buechley et al.，2010)。我们用纸、导电涂料、传统涂料及电子器件制作了系列互动壁纸。这些壁纸，尤其是非常大的印刷电路板可以监测所处环境，作为环境信息显示器与发光表面，并与其他网络设备建立连接。不过，由于具有灵活性、可卷曲性与装饰性等特点，这些壁纸也可以被当作传统的壁纸使用。

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我们还可用导电涂料向初学者介绍电子器件(Buechley，et al.，2009；Buechley and Perner-Wilson,2012)。涂料独特的可供性使其尤为适合这种目的。人们对于如何使用纸张与涂料有直觉理解，我们可以将他们的理解进一步提升，从而帮助他们理解电力。由于电流是通过画出来的线路流动，因而绘画动作已使人们对于电流流经的路径有了物理理解。而且，人们可以接收到自己所建造电路的直接而全面的视觉反馈。这里不像电路试验板似的有暗线或暗连接。图21.4显示的是我们可绘制电子器件工作坊里的部分图像。

安玛丽·托马斯(AnnMarieThomas)及其组员以类似的方式将导电黏土作为介绍电子器件的一种易理解、有吸引力的、直觉的材料（JohnsonandThomas，2010)。图21.1显示了他们制作的一个作品。他们的秘诀在于给面团中加入盐和水用于导电。我们可以从托马斯(Thomas，2011)的研究中找到制作导电面团与绝缘面团的教程以及大量项目案例。

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研究人员沿着另一条路径，使用导电橡胶(橡胶材料)与织物制作了类似于公告板、可承载电子感应器与执行器的基底(Liftonetal.，2005；Villaret al.,2006;Villar andGellersen,2007)。比如，维勒等人(Villar et al.,2006)开发了一个名为VooDooIO的系统(见图21.5)，该系统包含一套由开关、旋钮、控制杆等组成的输入设备，这些设备可以像图钉似的被撤入硅胶表面。柔性背衬为这些元件提供了动力与通信总线，可以被卷起来，或应用于其他表面。用户继而可以使用这些输入设备，建立自己的专属用户界面。研究人员探索过的系统包括个人游戏机、可快速重组的音乐混音器及大型地理探索系统(VillarandGellersen,2007)。最后一个案例中，地图信息被映射到一个大型VooDooIO表面。

物质输入

前一节描述了不同材料如何被用于与标准电子元件建立电力连接。在这些案例中，承载基底可以用纸张、织物或黏土制作，但系统中的其余部分则是用传统电子设备来制作的。然而，上述材料的作用不只是导电。许多材料具有电子特性电容、电磁、电感、电阻这些特性可根据光、温度、压力等刺激而发生改变。另外一些材料，如压电晶体，在刺激物的作用下会发电(Fraden,2010)。我们可以利用这些动力材料在各种基底上建立输入设备。

我们先来看几个简单的例子，首先来看我在前一节里分析过的导电材料，这些材料都可用来制作切换器。无论多么复杂的设备都可以用简单的切换器(数字输入）来制成。图21.6显示的是我的学生汉纳·佩纳-威尔逊（HannahPerner-Wilson)利用纤维、织物、木头与涂料制作的几个切换器，这些切换器可以用作倾斜传感器、烟雾感应器及旋钮(Perner-Wilson et al.,2011)。

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电容和电磁场感应器也可以用各种高导电材料制作。做一个简单的电容式接触或近程感应器，我们就可以测量某个导电材料中的电荷量如何随时间变化，据此判断附近是否有导电体(比如人体)(Fraden,2010)。图21.6还展示了几种用织物与涂料制作的电容式接触感应器(Orth,2007;Buechley et al.,2010)。

这些案例证明了基于物质的电子元件也可以被用作装饰，甚至作为感官设计元素。比如，图21.6中左下角的灯，是由马吉·奥思（MaggieOrth，2007)设计制作的。这个灯可以由手工编织的毛绒电容感应器来控制，这个感应器也是灯罩视觉设计的一部分。

用于感知心率及其他生理信号的电极同样可以利用不同的导电材料来制作。许多研究人员使用导电纤维与织物将电极嵌入到服装中(Pacelli et al.，2006a)。Numetrex公司(2008年被阿迪达斯公司收购)开发了一系列商业运动服，用基于织物的电极来监测心率(Numetrex，2007)。图21.7显示了其中的一款产品。

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将材料范围扩展到导体，带来了诸多可能性。电阻感应器可以用各种材料，包括复合材料制成，这些材料的阻力会随温度、机械变形、化学暴露、光暴露或其他刺激因素而改变(Fraden,2010)。比如，许多材料的电阻会随压力而变化，其中包括用橡胶或塑料复合物及导电粉体制成的弹性体和泡沫(Ruschauet al.,1992;Knite et al.,2004)、用金属和纺织纤维制成的纱纺以及Velostat 等塑料薄膜(Fraden,2010;Perner-Wilson et al.,2011)。图21.8展示了用这些材料制作的部分感应器案例：用丝网印刷术将电阻弹性体做到纤维上的弯曲感应器(Paradiso, de Rossi, and Pacelli et al. Paradiso anddeRossi,2006;Pacelli etal.,2006b);在我的研究实验室，用Velostat制作的弯曲感应器及用纱线编织的拉伸感应器在受到压迫的时候，电阻会发生变化(Perner-Wilson et al. ,201l;也可参见 Paradiso et al.,2005and Yoshikai etal.,2009对织物拉伸传感器的讨论）。

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