HMI：人机整合

人机交互技术的发展，已经使之从需要体力操作的简单手动工具，变成了模糊人机界限的复杂电子系统。开始时，绞盘和弹射器等工具扩展了人类的能力，其界面可直接用手或脚操作。

这个简单的人机界面（HMI）时代推动了人类数千年的进步，甚至连蒸汽机车这样的复杂机械都是通过物理杠杆和旋钮控制的。电力的出现标志着HMI设计的重大飞跃，它引入了按钮、开关和视觉指示器，实现了更精细的控制以及与机器的交流。如今，技术的进步挑战着人类与机器之间曾经明确的界限，开启了以更加无缝、互连的方式与机器融合、互动的新时代，这反映了人与技术的紧密结合所带来的机遇和挑战。

HMI的实用性

随着字符和图形显示器的出现以及触摸屏技术的发展，HMI的实用性大大增强。微控制器和处理器增强了机器存储配置信息和简化操作的能力，从而实现了快速高效的模式选择。电机控制和力反馈的发展将机器操作提升到了新的精度水平。然而，创新技术的吸引力未必等同于有效性。例如，早期的虚拟现实（VR）系统在实时头部跟踪方面做得并不理想，由于预期和实际视觉反馈之间存在脱节，因而会导致用户感到不适。有效的HMI将直观性和降低培训要求放在首位，从而提高其实用性。

亮度更高的显示屏和触摸屏等先进技术改变了用户交互方式，尽管在早期版本中存在诸如重新校准和触摸功能有限等挑战。向投射电容式触摸技术的转变显著推进了HMI功能的发展，智能手机和平板电脑的广泛应用就是例证。这些设备的直观性使其无需大量培训即可快速学习和操作，即使是儿童也不例外，而且儿童掌握新技术的速度往往快过成年人。HMI设计的一个重要方面是确保工作人员在长时间使用过程中的舒适度，尽可能减少疲劳。现代界面，尤其是平板电脑和智能手机中的界面，是专为长时间使用而设计的，但这也引发了对潜在成瘾性的担忧。

此外，航空领域的HMI（如平视显示器）也表明了在长时间使用过程中保持工作人员注意力集中、确保其舒适度的重要性。HMI在设计时还必须考虑到重复性应力损伤的风险，这就强调了人体工程学在界面设计中的重要性，以支持从装配线工作到办公环境等各种职业环境中的用户健康和工作效率。

HMI的安全性

现代VR系统代表了主流技术的前沿，在这一领域占据市场主导地位的是为数不多的几家主要公司。随着增强现实（AR）系统的普及，未来还可能有更多公司占据主导地位。VR和AR技术在创造沉浸式体验、改善学习和培训环境、革新娱乐方式以及提供与数字内容互动的新方法等方面都具备出色表现。虽然这些技术目前更多地用在游戏中，但未来在工业控制、工厂自动化和复杂机器维修中心等场景下，将会更多地使用这些技术。先进的传感器和探测器可以让HMI知道工作人员的手所在的位置，同时支持新的高级手势控制，如张开或俯冲（图1）。即使沉浸在虚拟环境中，也仍然可以通过无线控制器使用手持控制开关和按钮。

技术的进步，特别是加速度计和精确头部跟踪技术的进步，缓解了虚拟环境中的分离滞后问题，从而提高了安全性。然而，这些技术依然面临多种挑战，例如在使用沉浸式头显时，要让用户避开看不见的障碍物，需要通过视觉和听觉信号发出边界警报。带有传感器的全向跑步机通过跟踪用户运动，为虚拟空间中的安全运动提供了一种解决方案。AR则通过将数字信息叠加到现实世界中，让用户能够真正看到障碍物，从而提供了一种更安全的替代方案。这项技术尤其适用于航空航天等专业领域，在这些领域中，AR可以通过突出显示组件来简化喷气发动机维修等复杂任务，并有望发展到支持3D投影，从而实现更直观的交互。

AR头显中的手势识别技术可实现精确控制和互动，提高各种应用中的任务效率，包括在视听提示引导下进行复杂的机械维修。这些系统不仅能提高任务效率，还可以实现超出人类自身能力的缺陷检测。然而，对于工业控制和远程军事行动（如驾驶无人机）中的应用，HMI必须兼顾灵敏度和稳健性，确保在附近发生爆炸或工作人员意外移动等情况下的可靠性，并配备安全机制以防止意外动作。

HMI的经济性

要实现先进的HMI，必须配备关键的子组件。得益于手机和平板电脑的迅速普及，高分辨率、低成本的显示屏随处可见，而且经济高效。加速度计和小型、低成本、高分辨率摄像机也是如此。大批量应用能够以更低的成本来利用这些技术。

VR界面通常使用薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD），而AR技术则更倾向于使用有机发光二极管（OLED）显示器，因为它具有更高的透明度和柔性，并且不需要背光。尽管目前的OLED技术成本较高且不够成熟，但电视和智能手机行业正在迅速采用该技术，这表明未来成本将会降低，可用性也会提高。在军事和航空航天领域，HMI设计将耐用性和使用寿命放在首位。

然而，并非所有应用都需要如此长的平均故障间隔时间（MTBF）。在平衡耐用性、成本效益和可维修性以防止现场故障时，技术精湛的设计团队至关重要。同时，一些制造商会采用计划报废的做法，旨在鼓励定期升级到较新的型号，从而在产品寿命和创新周期之间取得平衡。

HMI的现状

平板电脑和手机越来越多地取代台式机和笔记本电脑，用于个人浏览、流媒体、电子邮件和文档编辑等基本办公功能，甚至在某些商务环境中，触摸屏笔记本电脑将传统计算与移动设备的便携性和直观界面融为一体。但在某些应用中，情况并非如此，CAD和CAE设计就属于此类。大尺寸、高分辨率的显示器能让印刷电路板（PCB）的设计变得更简单、更轻松、更不易出错。

如果一家聪明的CAE制造商开始提供基于VR的PCB或芯片布局工具，并利用先进的成像和界面（如语音识别），请不要感到惊讶。语音识别技术已经取得了长足的进步，但几乎所有使用语音转文本应用的人都知道它还不够完美。随着先进的数字信号处理（DSP）技术被用于过滤背景噪音和辨别细微差别，语音识别技术将不断改进，一旦AI硬件开始做出决策并考虑上下文，语音识别技术将继续改进，达到公认的可靠性。

触感同样重要

一些应用，如远程手术，需要的触觉反馈不仅仅是简单的点击，还需要精确的力反馈来模拟各种操作，例如模拟出使用手术刀等工具时感受到的阻力。这种沉浸式体验需要低延迟和精确反馈，以确保外科医生能够施加正确的压力。除了手套外，高端游戏座椅等产品还能模拟运动中的g力，带来逼真的驾驶或飞行体验。

神经接口和更多未来技术

在过去十年中，神经接口的研究和开发取得了长足进步，为因意外或先天性疾病而残疾的人士提供了新的出行和功能选择。初始，这项技术通过表面传感器检测神经脉冲或肌肉运动来控制假肢。随着DSP技术和计算能力的进步，通过训练的人士可以对假肢进行更复杂的多传感器控制。

神经接口技术的一个关键发展是将电极直接插入人体（包括大脑），以治疗帕金森病等疾病和促进心脏起搏。一项值得注意的早期成就是在20世纪70年代实现的生物硅接口，它将蛞蝓的神经元连接到集成电路（IC），利用蛞蝓的大型神经元开创了神经接口研究的先河。在这一基础上，出现了能够将IC与人脑直接连接的精密多传感器/刺激器接口。2004年，一位色盲艺术家接受了植入，使他能够感知正常视觉光谱以外的颜色，从红外线到紫外线，这是一项具有里程碑意义的突破。这不仅弥补了他的色觉异常（全色盲），还增强了他的感官能力，标志着通过技术增强人类能力迈出了重要一步。

在最近的技术发展中，Neuralink公司开发了一种芯片，可与负责运动控制的大脑区域连接，使用户能够通过思维来操作手机和电脑等设备。这项技术以检测神经元放电模式为基础，未来的潜在应用包括运动功能恢复、疼痛控制和感官增强，如实现红外光谱视觉或超声波频率听觉（图3）。对神经活动解码的研究仍在进行中，其可能的应用范围包括情绪和健康监测，以及对暴力行为的预先识别，展示了神经接口不断发展的丰富功能。

大脑植入接口的其他用途

神经接口有望在娱乐、医疗检测、干预和情绪调节等领域实现变革性应用。这些技术将超越机器控制和医疗假肢的传统用途，有可能彻底改变我们与数字环境的交互方式和健康管理方式。先进的神经接口可以实现完全沉浸式的娱乐体验，完全在用户的头脑中模拟感觉，并预示着虚拟现实和增强现实新时代的到来。在医疗保健领域，由于嵌入式传感器能够自动给药并向医疗服务提供者发出警报，神经接口可能很快就能检测并预先处理癫痫发作、心脏病发作和中风等医疗状况。

此外，这些界面还能通过实时监测大脑化学成分，为控制情绪波动和抑郁提供创新方法，从而保持精神健康。神经接口的广泛潜力是显而易见的，但它也将隐私、同意和自主权问题提到了更加需要认证考虑的地位，以确保其开发和应用符合道德准则。

结语

HMI已从基本工具发展成为先进系统，模糊了技术与生物之间的界限。早期的机械控制装置已经演变成复杂的电子界面，提供精确的控制和反馈。神经接口的开发增强了残疾人的行动能力，并为脑机直接通信铺平了道路。现在，先进的HMI可提供身临其境的体验和更好的控制，未来的创新有望进一步将技术融入人类体验，从感官增强到医疗干预。随着HMI技术的进步，它们有望扩展人类的能力并提高生活质量，从而实现技术与人类生活无缝连接的未来。

参考文献

[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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