生物启发式设计丨基于情境感知的智能产品

科技
来源: 标签:启发式情境感知生物智能 2019-11-08 22:00:51
信息通信技术(ICT)和网络物理系统(CPS)的快速发展为各种智能产品的普及铺平了道路。产品智能包含多个角度,情境感知是

信息通信技术(ICT)和网络物理系统(CPS)的快速发展为各种智能产品的普及铺平了道路。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解释其所处的独特环境,从而有目的地执行适当的操作。人们已经开发了许多情境感知信息系统(如推荐系统和移动应用程序),情境的加入可以显著提高这些信息系统的有效性。

澳门十大赌场排名与人工制品不同,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,通过电感受(electroreception)来定位花粉、感知雷暴天气,通过摆尾舞与同伴交流情境信息。

生物启发式设计(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,激发创新;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。

澳门十大赌场排名一种新的智能产品生物启发式设计框架被提出,用以支持情境感知智能产品的生物启发式设计,即“BID-SP框架”。

BID-SP框架以功能-行为-结构理论为基础开发而成。“功能”“行为”“结构”分别描述了“对象用来干什么”“对象能做什么”“对象是什么样的”。这个框架规定了结构化设计过程,借助各种生物启发,支持不同的概念设计活动,如问题形成、结构重构、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。

澳门十大赌场排名从情境认知的角度来看,BID-SP框架指导设计师来回穿越于三个相互关联的“世界”,即期望世界、解释世界和外部世界。

首先,期望世界由设计师的期望构成,即为了满足客户需求,产品应如何运行、表现和构造;其次,解释世界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、表现和构造;最后,外部世界指的是生物系统和人工制品所处的现实世界。现在,许多智能产品存在于两个外部世界——物理世界和数字世界。

澳门十大赌场排名图1阐明了产品设计中典型的三类生物启发。

澳门十大赌场排名? 图1 FBS框架中的生物启发式设计

澳门十大赌场排名(a)产品设计中典型的三类生物启发;

(b)生物启发式智能产品设计过程。

澳门十大赌场排名R:需求;F:功能;Be:预期行为;

澳门十大赌场排名Bs:实际行为;Sb:生物结构;

Sa:人工结构

类型I:对生物系统的理解,启发设计师调整对人工制品能或不能做某动作以及动作的内容、方式和程度的期望。例如,观察蜜蜂如何协调行为,令设计师想知道无人机可以在多大程度上以类似的方式同步动作。这种生物启发主要发生在系统设计过程中明确任务的阶段。

澳门十大赌场排名类型II:在解释世界中,对生物系统的理解会影响对人工制品的理解。这种生物启发一直是之前许多设计研究的重点。实质上,这涉及通过制定一组解决方案中立的函数,在生物系统与人工制品之间建立类比,泛化生物系统的工作原理,并应用于人工制品。这种类型的生物启发主要发生在系统设计过程概念设计的阶段。

类型III:在外部世界中,可以通过直接观察、分析和测量生物系统的物理结构和机制来获得设计启发。这种生物启发虽然是最直接的,但很少会带来突破性的创新,因为它强调实例设计。此外,外部世界中的生物系统和人工制品之间存在双向作用,人工行为对生物系统的演变施加着有意或无意的影响。

如何使用BID-SP框架来开发智能产品?研究人员实施了一项案例研究,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展示了完整的功能层次结构,突出显示了与情境感知相关的功能。

? 图2 情境感知扫地机器人的功能层次结构

澳门十大赌场排名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定的;对于每种与情境感知相关的功能,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。

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