模块化实物用户界面研究

作为实物用户界面的未来发展的主要方向之一，模块化用户界面通过提供大量不同种类的可交互实体，为实物用户界面提供更多的灵活性、可变性、自由性、创造性，使之能够广泛应用于未来人居、未来教育等相关领域。《模块化实物用户界面研究》结合多学科的理论与方法，提出了具有一定普适性的模块化实物用户界面设计框架与设计方法，探索了能够在真实物理环境中提供虚实结合的、沉浸式交互体验的设计实现方式，探讨了模块化实物用户界面的应用领域、优势缺点与未来研究方向。

《模块化实物用户界面研究》可供从事用户界面设计、实物用户界面研究等领域的研究人员及相关技术人员阅读参考。

王濛，北京通用人工智能研究院研究员，机器人实验室嵌入式方向负责人，中国计算机学会人机交互专委会执行委员， IEEE RO-MAN（人与机器人互动国际会议）副编辑 ；果壳科学专栏科普作者，乐高积木社群活跃设计师。2009年至2019年在在清华大学完成本、硕、博学业，具有机械学、电子学、设计学、计算机等多个学科专业的研究经历，获清华大学工学、文学学士学位，艺术学硕士、博士学位，两次获评清华大学优秀毕业生，获清华大学水木学者等荣誉。作为国内较早在实体交互与机器人交互方向开展研究的学者，曾在ACM TEI，ACM UIST, IEEE RO-MAN, IEEE IROS, IEEE RA-L，MIT Leonardo等国际一流会议与期刊发表论文，并带领团队设计研发了一系列创新的交互装置与机器人原型。

第1章概述

1.1研究背景

1.2研究问题及其意义

1.3研究内容和研究方法

第2章MTUI的发展沿革与相关工作

2.1图形用户界面

2.2实物用户界面

2.3实物用户界面的发展

2.3.1自驱动用户界面

2.3.2非刚性用户界面

2.3.3模块化用户界面

2.4其他相关领域的发展现状

2.4.1物联网

2.4.2嵌入式传感与驱动

2.4.3大数据与人工智能

2.4.4增强现实与增强虚拟

2.4.5机器人及其应用

2.4.6未来教育

2.5本章小结

第3章MTUI的交互特性与设计方法

3.1交互特性分析

3.1.1基本物理属性

3.1.2示能性与约束性

3.1.3语义性

3.1.4耦合性与同构性

3.1.5模态

3.1.6互联性

3.1.7组装性

3.2交互框架设计

3.3交互环境设计

3.3.1耦合性设计

3.3.2同构性设计

3.3.3互联性设计

3.3.4示能性与模态设计

3.4交互元素设计

3.4.1基本物理属性设计

3.4.2模态设计

3.4.3语义性与示能性设计

3.4.4组装性设计

3.5本章小结

第4章MTUI的设计实现

4.1嵌入式传感

4.2自驱动反馈

4.3嵌入式控制

4.4通信网络

4.5拓扑识别

4.6空间定位

4.7本章小结

第5章MTUI交互系统设计实例

5.1PolyHinge

5.1.1交互元素设计

5.1.2交互环境设计

5.1.3设计实现

5.1.4设计总结

5.2TwistBlocks

5.2.1交互元素设计

5.2.2交互环境设计

5.2.3实现技术

5.2.4设计总结

5.3WalkingBot

5.3.1交互元素设计

5.3.2交互环境设计

5.3.3实现技术

5.3.4设计总结

5.4本章小结

第6章MTUI的应用领域、优缺点与未来研究方向

6.1应用领域

6.1.1智能环境

6.1.2未来教育

6.1.3创意与设计工具

6.1.4信息可视化

6.2优点

6.2.1情境性与易用性

6.2.2自由性与创造性

6.2.3共享性与合作性

6.3缺点

6.3.1低精度与低效率

6.3.2可移植性与可扩展性

6.4未来研究方向

6.4.1元设计

6.4.2多模态

6.4.3与其他领域技术的结合

6.5本章小结

第7章总结

参考文献

致谢

　　王濛博士的研究聚焦于实物用户界面，目标是提供多样化的可交互实体，增加界面的灵活性、可变性、自由性和创造性，以适应未来人居、未来教育等领域的需求。该研究方向是后WIMP范式的重要分支，旨在克服传统图形用户界面的局限性并处理更加丰富的物理与数字信息。随着技术的进步，数字信息的视觉体验已日益完善，而图形用户界面也面临发展瓶颈。与此同时，数字网络与信息接口变得无处不在，多元化的数字信息形式也如雨后春笋一般的涌现出来。在这一发展背景下，实物用户界面的兴起提供了一种基于现实环境的、虚实结合的、可交互的人机界面，为未来的人机交互带来了新的可能性。

　　为了探究模块化实物用户界面的交互特性，本书将多学科的理论与方法融合，涵盖了用户体验研究、心理学、人机工学、工业设计、交互设计等多个领域，为实物用户界面的设计与研究工作提供了全面的视角。本书的主要创新在于强调了实物用户界面的多样性与复杂性，通过交叉与融合研究，总结了模块化实物用户界面具有的七种交互特性，并提出了普适性的设计框架与方法，为实物用户界面技术的发展提供了参考。

　　本书探索了实物用户界面技术在多个领域更广泛的发展，例如： 智能环境、未来教育、创意与设计工具、信息可视化等。研究成果对于推动数字技术与实物环境的融合发展和促进信息科技在日常生活和教育中的应用具有重要的社会意义。同时，本书也指出了实物用户界面面临的挑战，并探讨了与其他前沿技术结合的可能性，从而为实物用户界面的未来发展提供了新的方向。

　　最后，我由衷感谢王濛博士在这一研究领域的辛勤努力与创新精神。他的研究工作不仅推动实物用户界面技术的发展，也为这一领域带来了重要的研究成果，相信本书的出版将为广大学者与从业者提供有益启示，并推动实物用户界面技术的持续发展与应用。

徐迎庆，博士

清华大学美术学院长聘教授

清华大学未来实验室主任

教育部长江学者特聘教授

2023年7月