朱燁晨

摘要：將嗅覺可視可聽化，讓嗅覺缺失的人群重新獲得不一樣的“嗅覺”。利用分子振動(dòng)原理將嗅覺信息可視化，并通過手表和AR技術(shù)展現(xiàn)出來。設(shè)計(jì)一款A(yù)R手表“oWatch”。設(shè)計(jì)師不能只停留在設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)業(yè)升級(jí)和商業(yè)創(chuàng)新需求的層面，更應(yīng)針對(duì)社會(huì)功能需求的“真正的、有意義的”設(shè)計(jì)，關(guān)注殘障人士，并讓他們的生活更美好。

關(guān)鍵詞：嗅覺缺失;氣體振動(dòng)頻率;可視化;可聽化

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）03-0012-03

引言

現(xiàn)階段在社會(huì)上，對(duì)于嗅覺這一感官的研究較少，并且對(duì)于嗅覺殘缺者并沒有相關(guān)的交互產(chǎn)品。本次研究主要利用分子振動(dòng)理論，將嗅覺信息通過視覺和聽覺的維度展現(xiàn)出來，使得嗅覺障礙者能夠重新體驗(yàn)失去嗅覺所帶來的情感。此次研究所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將有利于增強(qiáng)該類人群對(duì)于食物的興趣，并且提升他們的安全感。

一、嗅覺研究現(xiàn)狀與相關(guān)理論知識(shí)概述

（一）嗅覺研究現(xiàn)狀：長(zhǎng)期以來，嗅覺一直沒有被人們所重視，人類對(duì)嗅覺的科學(xué)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其余的感官。人文科學(xué)也忽略了氣味，詩歌、小說甚至哲學(xué)都不愿提及彌漫在人們生活中的香水。從童年起，人們就被灌輸“人類的嗅覺比動(dòng)物弱”的錯(cuò)誤觀念，所以這是人們忽略氣味重要性的原因之一。

（二）嗅覺不受重視的原因：對(duì)于其他感官，人們傾向于直接說出對(duì)它們的感受，這使得人們?cè)陬^腦中留下了更深刻的印象。聲音具有特定頻率，音調(diào)，亮度，所有這些都可以喚起人們存在的記憶聲音。顏色可以科學(xué)地描述為光的波長(zhǎng)，或者用語言命名。然而，對(duì)于氣味卻有些困惑，“聞起來像？”然而人們卻容易描述一朵花“看上去像一朵云”，或者皮膚上溫暖的太陽“感覺就像在烤箱旁邊”。嗅覺是唯一一個(gè)被輕視的感官，因?yàn)樗託馕兜淖饑?yán)之下，只能靠其他的東西。如果要描述一種其他人從未聞過的氣味，那么他就無法理解描述者在說什么。比如，如何向從未聞過肉豆蔻氣味的人描述肉豆蔻的氣味？

（三）嗅覺缺失引發(fā)的問題

1.可能產(chǎn)生幻嗅和嗅覺扭曲：大腦的嗅覺區(qū)域若在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒有接收到外部氣味信息，一些隨機(jī)信息可能通過其他神經(jīng)傳導(dǎo)通路觸發(fā)腦部嗅覺區(qū)，從而導(dǎo)致一些不存在的嗅覺感受出現(xiàn)。如一個(gè)人經(jīng)常能感覺到煙的氣味，并且持續(xù)幾個(gè)星期，即使房間里沒有煙;還能感覺到氣味扭曲，如牛奶喝起來像糞便;肉類口味就像動(dòng)物脂肪和血液;巧克力也失去了原有的甜，辣，成了令人作嘔。

2.可能引起抑郁：德累斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，天生嗅覺差的人在社交交往中更容易遇到障礙、不安全感和抑郁。因?yàn)樗麄兟劜坏?，?jīng)常擔(dān)心會(huì)得罪別人，所以盡量避免與人吃飯、親密接觸等，從而與人分享快樂的機(jī)會(huì)也隨之減少。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家帕梅拉·多爾頓介紹，嗅覺直接關(guān)系到杏仁核，當(dāng)人們聞到氣味后，氣味會(huì)產(chǎn)生在大腦的反饋回路。如果沒有更多的味道被傳送到大腦，行為或情緒可能會(huì)發(fā)生變化。

二、目標(biāo)使用用戶群體與應(yīng)用場(chǎng)景分析

（一）目標(biāo)群體：本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品主要針對(duì)完全失去嗅覺的人，這類群體缺少社會(huì)的保護(hù)。嗅覺缺失的人不符合《中國(guó)實(shí)用殘疾人評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，他們不屬于殘疾人，并且目前世界上并沒有很完善的治療嗅覺完全缺失的方法。

（二）嗅覺缺失對(duì)于人的影響：在安全層面上，失去嗅覺的人，可能會(huì)煤氣中毒。這類人群聞不出任何氣味，所以不知道是否關(guān)好煤氣灶;失去嗅覺的人，可能會(huì)食物中毒，因?yàn)檫@類人群無法知道食物是否變質(zhì)。在個(gè)人精神面貌層面上，失去嗅覺的人，聞不到身體上的味道，不知道是否該洗澡或者換衣個(gè)，人形象會(huì)稍差，并且他們害怕被其他人嘲笑，會(huì)感到自卑;在飲食層面上，失去嗅覺的人，聞不到食物的氣味，就像嚼塑料制品，食之無味;在感情層面上，失去嗅覺的人，聞不到枕邊人特有的味道，聞不到頭發(fā)的味道，也聞不到很多關(guān)于愛的味道。

（三）應(yīng)用場(chǎng)景分析

1.居家場(chǎng)景：在家中，嗅覺缺失的人無法感知室內(nèi)的氣味，需要一個(gè)裝置能檢測(cè)室內(nèi)的空氣成分，并且及時(shí)提醒用戶開窗通風(fēng)或者噴灑合適的空氣清新劑。

2.廚房場(chǎng)景：嗅覺缺失的人有時(shí)無法確定是否完全關(guān)閉煤氣灶，需要一個(gè)裝置能檢測(cè)廚房中是否存在co（煤氣的主要成分），從而告知用戶煤氣灶的閉合狀況。

3.餐桌場(chǎng)景：嗅覺缺失的人往往食之無味，需要通過一個(gè)裝置將美味的氣味通過聲音和顏色的形式反饋出來，以此增加用戶的食欲以及飲食樂趣。

三、“oWatch”設(shè)計(jì)概念

（一）設(shè)計(jì)概念描述：為了便于嗅覺缺失者攜帶，以及了解氣體的信息，將設(shè)計(jì)一款A(yù)R手表。該款手表可以檢測(cè)用戶想要檢測(cè)的氣體，并在手表上顯示氣體的名稱，經(jīng)過處理后，手表將發(fā)出屬于該氣體獨(dú)特的聲音以及顏色，從聽覺和視覺的緯度幫助用戶增加食欲，并且?guī)椭脩袅私夂陀涀≡摎怏w（是否有毒）。

（二）“oWatch”設(shè)計(jì)方法：此次設(shè)計(jì)將結(jié)合了理性的科學(xué)與感性的藝術(shù)。首先，氣體的傳播是因?yàn)榉肿诱駝?dòng)產(chǎn)生的，但是各種氣體的頻率不在人耳能接收到的范圍內(nèi)。因此，通過多次反復(fù)試驗(yàn)以及對(duì)其感性理解，得出一個(gè)公式，使得雙原子分子（目前由于知識(shí)的束縛，該公式僅限于雙原子分子）的振動(dòng)頻率能落在鋼琴的108個(gè)鍵的頻率內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)了嗅覺可聽化。至于將雙原子分子的頻率轉(zhuǎn)換為顏色，先將所求得的雙原子分子振動(dòng)頻率根據(jù)一個(gè)公式轉(zhuǎn)換到可見光的波長(zhǎng)內(nèi)，然后利用1931CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為RGB顏色。通過以上兩個(gè)步驟就將雙原子分子的氣味轉(zhuǎn)換成了能被嗅覺障礙者感知的聲音以及顏色，由此可將該技術(shù)原理應(yīng)用在智能手表上，因?yàn)橹悄苁直硪子跀y帶，并且離食物近（通過手拿取食物）。

（三）“oWatch”設(shè)計(jì)原理1.嗅覺可聽化（1）分子振動(dòng)理論：在20世紀(jì)20年代和30年代，戴遜認(rèn)為嗅覺

是通過檢測(cè)氣味分子的振動(dòng)頻率來區(qū)分不同的化學(xué)物質(zhì)。分子是由原子組成的，其組成方式就像一個(gè)個(gè)圓球（原子）被兩兩之間的彈簧（化學(xué)?。┞?lián)接在一起。當(dāng)把物體掛在彈簧秤上時(shí)，可以觀察到上下振動(dòng)的物體，并且這個(gè)振動(dòng)有一定的頻率，而這個(gè)頻率取決于原子的質(zhì)量和周圍的化學(xué)鍵強(qiáng)度。

（2）分子振動(dòng)頻率的計(jì)算公式：由經(jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)均可推出雙原子分子振動(dòng)頻率的計(jì)算公式為：

單位為kg。

m1和m2是兩個(gè)原子的質(zhì)量;c是光速，為3×108m/s，k是鍵的力常數(shù)，單位是N/m。

3.區(qū)間映射公式：由于雙原子分子的真實(shí)振動(dòng)頻率并不在鋼琴108鍵16.35HZ～7902.13HZ的范圍內(nèi)，所以需要一個(gè)轉(zhuǎn)換公式將雙原子分子的振動(dòng)頻率放大，經(jīng)過試驗(yàn)，將算得的真實(shí)頻率放大10500倍，此時(shí)該頻率即在鋼琴的頻率內(nèi)（該放大倍數(shù)只適用于雙原子分子）。

2.嗅覺可視化

（1）1931CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)原理：1931CIE-XYZ系統(tǒng)，是在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法，選用三個(gè)理想的原色來代替實(shí)際的三原色，從而將CIE-RGB系統(tǒng)中的光譜三刺激值和色度坐標(biāo)r、g、b均變?yōu)檎怠?/p>

系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：選擇三種理想原色（三色刺激值）x，y，z。紅色原色x，綠色原色y，藍(lán)色原色z。整個(gè)光譜色變成了以XYZ三角形作為色域的域內(nèi)色。在XYZ系統(tǒng)中所得到的光譜三刺激值x（γ）、y（γ）、z（γ）、和色度坐標(biāo)x、y、z將完全變成正值。經(jīng)過數(shù)學(xué)公式的推演和反推，可以得到兩組顏色空間色度坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。所以，只要知道某一顏色的色度坐標(biāo)r、g、b，即可以求出它們?cè)谛略O(shè)想的三原色XYZ顏色空間的的色度坐標(biāo)x、y、z。

按照相同的道理，也能得出光的波長(zhǎng)與三原色XYZ顏色空間的的色度坐標(biāo)x、y、z的相互轉(zhuǎn)換，即運(yùn)用算法把光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為色度坐標(biāo)x、y、z，再把色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為該波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的可見光的R，G，B值。

（2）區(qū)間映射公式：在程序中輸入波長(zhǎng)時(shí)，首先要將分子的振動(dòng)頻率范圍轉(zhuǎn)換到可見光波長(zhǎng)的范圍內(nèi)（380～750nm）。經(jīng)過多次試驗(yàn)與感性思考，得出只要將所求得的真實(shí)分子振動(dòng)波數(shù)放大4.2×1011倍，該波數(shù)即落在可見光波長(zhǎng)的范圍內(nèi)（此放大倍數(shù)只適用于雙原子分子）。經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換后，便可將求得的數(shù)字輸入程序內(nèi)，得到對(duì)應(yīng)的顏色。由此實(shí)現(xiàn)了嗅覺可視化。

3.感官的通感性

（1）不同感覺相互影響：某種感覺器官受到刺激會(huì)對(duì)其他感官的感受性造成一定的影響，這種現(xiàn)象就是不同感覺器官的相互影響。一般規(guī)律是，某種感官若只能接收弱的刺激，就常常能使另一感官的感受性加強(qiáng)，如微弱的光刺激能使聽覺感受性提高，微弱的聲音刺激可以提高視覺對(duì)顏色的感受性。

（2）不同感覺互補(bǔ)：不同感覺的相互補(bǔ)償是指某種感覺系統(tǒng)的機(jī)能喪失后會(huì)由其他感覺系統(tǒng)的機(jī)能來彌補(bǔ)失去的功能。如盲人的聽覺感受能力比正常人強(qiáng);聾啞人的視覺感受能力很強(qiáng)。這種補(bǔ)償主要是由于各種刺激的能量可以相互轉(zhuǎn)換。因此，可以用視覺和聽覺來代替嗅覺缺失者喪失的嗅覺。

（3）聯(lián)覺現(xiàn)象：顏色與嗅覺：顏色能影響人的食欲。紅色的食品，容易刺激人的食欲。橙色會(huì)讓人聯(lián)想到甘甜、溫和的味道，也是一種能使人增加飲食欲望的顏色。綠色給人新鮮的感覺，人們?nèi)菀渍J(rèn)為綠色的食物就是健康無害的食品，因此綠色可以增加人的食欲。但是顏色較深的綠色卻會(huì)讓人感到苦澀，降低人的食欲。

聲音與嗅覺：研究發(fā)現(xiàn)，讓人心情愉悅的音樂節(jié)奏會(huì)增加人們對(duì)食物和飲料的攝入量。人們喝酒時(shí)若聽些恰當(dāng)?shù)囊魳纺鼙劝察o地喝酒更能讓人樂在其中。如品嘗2004年的法國(guó)瑪歌正牌葡萄酒時(shí)適合聽柴可夫斯基的D大調(diào)第一弦樂四重奏，喝法國(guó)盧瓦爾河谷普伊·富美白葡萄酒的時(shí)候更適宜聽莫扎特的長(zhǎng)笛四重奏。

4.AR在“oWatch”上的應(yīng)用

（1）AR的概念：AR是一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，是虛擬內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)世界相融合的效果，幫助用戶們更快捷直觀地獲取信息。

（2）AR設(shè)計(jì)流程：捕捉顯示圖像——三維建模（設(shè)計(jì)3D的氣體分子立體模型，Cinema4D和Maya）——傳感器追蹤——坐標(biāo)識(shí)別及轉(zhuǎn)換（與虛擬環(huán)境交互）——虛擬交互（與虛擬物體、與屏幕交互，Unity和UnrealEnergy）

（3）AR設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)一個(gè)體驗(yàn)：新維度，沉浸感，安全性。

新維度：漸進(jìn)引導(dǎo)用戶移動(dòng);避免術(shù)語，將提示融入情境;避免AR體驗(yàn)中斷（讓用戶在不離開AR的情況下取改變氣體在空間中的存在位置）。沉浸感：全屏顯示;將氣體分子設(shè)計(jì)的真實(shí);運(yùn)用聲音、觸感反饋和顏色提升沉浸感。安全性：避免用戶大范圍地突然移動(dòng);考慮用戶的生理舒適;考慮物理世界的限制。

（4）AR功能在“oWatch”上的應(yīng)用：通過AR技術(shù)，將傳感器所獲的氣體分子的信息在屏幕中展現(xiàn)出來（在空間或物體上的大致分布狀況），以此來增強(qiáng)用戶對(duì)氣體分布狀況的了解。

（四）設(shè)計(jì)草圖及效果圖草圖如圖1，圖釋：

1：在手表的前側(cè)將安裝紅外氣體傳感器，為了收集氣體。

2：手表副屏，為半透明的玻璃，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，將收集到的氣體信息通過AR的形式顯示出來。

3：手表主屏，顯示時(shí)間以及氣體信息。效果圖如圖2。（五）“oWatch”操作及成像簡(jiǎn)介：用戶欲使用“oWatch”的

嗅覺可視化功能時(shí)，向下按半透明的玻璃即可打開該玻璃，此時(shí)“oWatch”的紅外傳感器即被激活，如圖3。

當(dāng)紅外傳感器接收到外界氣體信息時(shí)，就會(huì)將該氣體所對(duì)應(yīng)的顏色在半透明玻璃中顯示出來，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能，如圖4。

（六）紅外氣體傳感器介紹：紅外傳感器的應(yīng)用很廣，能夠檢測(cè)大部分雙原子分子，而且它的可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環(huán)境的干擾較小，壽命比較長(zhǎng)，在未來的市場(chǎng)中可能會(huì)成為主流的。但是因?yàn)楝F(xiàn)剛處在起步階段，技術(shù)不夠精湛，制造的成本比較高，但是，希望在未來的技術(shù)發(fā)展中，可以發(fā)讓它變得更加成熟，更加實(shí)用。紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖5。

（七）原型測(cè)試

1.原型測(cè)試材料：ArduinoUNO，面包版，面包線，MQ-2煙霧傳感器，紅色LED燈珠，綠色LED燈珠，無源蜂鳴器，221歐電阻

2.MQ-2煙霧傳感器介紹：（由于現(xiàn)階段無法獲得能識(shí)別一切雙原子分子氣體的傳感器，在此用MQ-2煙霧傳感器做試驗(yàn)）

當(dāng)MQ-2型煙霧傳感器感受到空氣中有天然氣成分時(shí)，該傳感器的電導(dǎo)率將根據(jù)感受到的空氣中氣體的濃度的增加而增大。運(yùn)用這個(gè)簡(jiǎn)單的原理就可以根據(jù)電導(dǎo)率的不同轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的氣體濃度，再輸出電信號(hào)，如圖6。

3.無源蜂鳴器介紹：無源蜂鳴器沒有正負(fù)之分的，類似于喇叭。只要在兩個(gè)腿上加載不同的頻率的電信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)聲，根據(jù)不同的頻率所發(fā)出的聲音也是不一樣的，可以發(fā)出類似于“哆來咪發(fā)嗦啦西”的效果。

4.Arduino與MQ-2和無源蜂鳴器的連接使用說明：線路接通時(shí)，綠色LED燈珠就會(huì)亮起。當(dāng)MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到氣體時(shí)，紅色LED燈珠就會(huì)亮，綠色LED燈珠就會(huì)熄滅，同時(shí)無源蜂鳴器會(huì)發(fā)出“哆”的聲音。連接示意圖如圖7。

（八）計(jì)算氣體示例

HF：經(jīng)過公式（1）計(jì)算可知其振動(dòng)頻率約為0.51HZ，放大后為5355HZ，與鋼琴鍵101最為接近。波數(shù)為1.7×10-9nm，放大后即為714nm，經(jīng)過程序計(jì)算，獲得R，G，B的值為R：255G：16B：0。

HI：經(jīng)過公式（1）計(jì)算可知其振動(dòng)頻率約為0.28HZ，放大后為2940HZ，與鋼琴鍵82最為接近。波數(shù)為9.3×10-10nm，放大后即為392nm，經(jīng)過程序計(jì)算，獲得R，G，B的值為R：1G：0B：87。

（九）使用場(chǎng)景示例：嗅覺缺失者佩戴“oWatch”，進(jìn)入某個(gè)含有30%HF和20%HI的環(huán)境，當(dāng)用戶打開半透明玻璃片后，便激活了氣體檢測(cè)的功能，紅外氣體傳感器開始工作，從而獲取環(huán)境中氣體的信息，并將收集到的成分含量較大的氣體HF和HI的分子振動(dòng)頻率放大。然后在手表的半透明玻璃上，將會(huì)呈現(xiàn)R：255G：16B：0和R：1G：0B：87的顏色（大概為紅色和深藍(lán)色，簡(jiǎn)單說就像是給環(huán)境附上了紅色和深藍(lán)色的濾鏡）以及HF和HI分子的結(jié)構(gòu)式和其大概分布在環(huán)境中的位置（按照3：2的比例），同時(shí)手表將發(fā)出鋼琴鍵101和82的聲音，并且跟隨用戶手的移動(dòng)情況自動(dòng)將兩個(gè)頻率的聲音編程音樂。

反饋情況：該兩個(gè)氣體對(duì)應(yīng)的顏色以及聲音并不會(huì)令人愉悅，以此告訴嗅覺缺失者盡快離開該環(huán)境。

四、“oWatch”創(chuàng)新之處

（一）設(shè)計(jì)原理的巧妙性：“oWatch”的設(shè)計(jì)原理從量子力學(xué)的角度出發(fā)，通過分子振動(dòng)理論，將氣體分子的振動(dòng)頻率映射到鋼琴琴鍵和可見光的頻率范圍內(nèi)，并結(jié)合AR技術(shù)，將氣體通過顏色和聲音通過手表這個(gè)載體表現(xiàn)出來。

（二）工作原理的獨(dú)特性：“oWatch”的工作原理不同于導(dǎo)盲鏡等其他殘障人士的高科技輔助產(chǎn)品通過接受外界刺激并將信息通過電化學(xué)信號(hào)傳遞到大腦中進(jìn)行處理，而是以嗅覺可視可聽化的方法，加強(qiáng)嗅覺缺失人士的聽感和視感，從而幫助失去嗅覺的人群重新體驗(yàn)到氣味帶給人類的情感。

五、“oWatch”設(shè)計(jì)意義

（一）增加對(duì)嗅覺障礙人士的關(guān)懷：社會(huì)上誕生了許多幫助殘障人士的設(shè)計(jì)產(chǎn)品：輪椅、觸覺手機(jī)、盲文打印機(jī)、導(dǎo)盲眼鏡、助聽器等，然而對(duì)于嗅覺缺失的人群卻缺乏設(shè)計(jì)產(chǎn)品。這類人群甚至都未被列入殘疾人的名單，社會(huì)上對(duì)這類人群的關(guān)照極少，“oWatch”的誕生將可以給他們帶來全新的不一樣的嗅覺體驗(yàn)。

（二）符合未來發(fā)展趨勢(shì)：用現(xiàn)代技術(shù)為殘障人士創(chuàng)建無障礙環(huán)境來構(gòu)建和諧社會(huì)，將是輔助器具的未來發(fā)展趨勢(shì)。

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