本文选自Engineering 期刊2019年第4期
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):637-645.
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。
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。
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。
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。
图1阐明了产品设计中典型的三类生物启发。
☝ 图1 FBS框架中的生物启发式设计
（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。
R：需求；F：功能；Be：预期行为；
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。
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
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。
✎改编丨沈晓晶
中国工程院院刊
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