تفاعل انسان مع اله
Human Machine Interaction (HMI) -

تفاعل الإنسان مع الآلة

ندى غنيم

التقانة البصرية (المعتمدة على الضوء)

التقانة المعتمدة على الصوت

التقانة الحيوية الإلكترونية

تقانة التفاعل باللمس

التقانة الحركية

 

يقصد من تفاعل الإنسان مع الآلة Human-Machine Interaction (HMI) وصف كيفية تعامل الإنسان مع الآلات وتفاعله معها، (ثمة بدائل أخرى لهذا المصطلح منها: واجهة تخاطب الإنسان مع الآلة Human-Machine Interface (HMI)، أو تفاعل البشر مع الآلة  Man-machine interaction، أو تخاطب البشر مع المكنة man-machine interface، أو واجهة الإنسان والحاسوب human-computer interface). وهناك اليوم طيف واسع جداً من الأجهزة التي تتطلب تفاعلاً بين البشر والآلة مثل: أجهزة المطبخ، الأجهزة الطبية، المكنات الصناعية، أدوات الترفيه والألعاب، الحواسيب. وفي المراحل الأولى لظهور الحواسيب حتى أواسط القرن العشرين اعتُمِدَت البطاقاتُ الكرتونية المثقبة لإدخال المعطيات إلى الحاسوب، وظهرت بعدها لوحة المفاتيح التي سمحت بإدخال المعطيات إلى الحاسوب بطريقة تشبه الكتابة على الآلات الكاتبة. وكان التفاعل مع الحواسيب في تلك المرحلة نصيّاً فقط، ولم تكن هناك واجهات تفاعل بيانية مع المستخدم؛ إلّا أن استخدام البيانات في الحواسيب ولَّد الحاجة إلى ابتكار الفأرة أداةً للتفاعل معها.

مع شيوع استخدام الحواسيب بدأت تظهر (منذ عام 1980) مجموعة جديدة من طرائق التفاعل وأجهزتها، بما في ذلك عِصيّ اللعب joysticks، واللويحات البيانية graphics tablets، ولوحات المفاتيح باستخدام يدٍ واحدة single-handed keyboards، ولويحات اللعب joypads (الشكل 1)، وما زالت كلها تستخدم حتى الوقت الحالي. ومع استمرار استخدام هذه الواجهات التقليدية لعقود مقبلة فقد يأتي المستقبل بواجهات جديدة سهلة الاستخدام لا تفرض قيوداً على الحركة الطبيعية.

الشكل (1) واجهات تقليدية للتفاعل بين الإنسان والآلة.

(أ) عصا لعب، (ب) لويحة بيانية،(ج) لوحة مفاتيح باستخدام يدٍ واحدة، (د) لويحة لعب.

فتح اختراع الحواسيب المكروية المنخفضة الطاقة والكلفة؛ البابَ أمام التقانات الحديثة لتفاعل الإنسان مع الآلة؛ فأصبحت الكاميرات صغيرة جداً والمكروفونات ذات صوت نقي وواضح، وتقلص حجم المحسّات المختلفة؛ ممّا دفع الباحثين إلى ابتكار تقانات جديدة للتفاعل مع الآلات.

 يمكن تصنيف تقانات التفاعل مع الآلات في خمسة أصناف هي: التقانة البصرية، التقانة المعتمدة على الصوت، التقانة الحيوية الإلكترونية، تقانة التفاعل باللمس، التقانة الحركية.

التقانة البصرية (المعتمدة على الضوء)

لا يحتاج مستخدم تقانة التفاعل البصرية optic based technology إلى لمس الآلة؛ بل يمكن استخدام حركات اليد والإيماءات البسيطة للتفاعل؛ ممّا يجعلها واجهات تفاعل فعالة جداً مع البشر. وتعتمد التقانة على أجهزة وتقانات متنوعة منها:

1.    الكاميرا والرؤية الحاسوبية

تُستخدَم الرؤية الحاسوبية عيناً للآلة، وتسمح لها برؤية أشياء قد لا يستطيع البشر رؤيتها؛ فهي تُستخدم في تتبع الأغراض وكشفها بهدف تحليل الحركات والإيماءات، وتمثيل مشاعر المستخدمين كالحزن والسعادة والغضب.

مبدأ الرؤية الحاسوبية بسيط؛ إذ تُرسِلُ كاميرا مرتبطة بجهاز إلكتروني (حاسوب أو هاتف خلوي) المعطيات إلى ذلك الجهاز لمعالجتها بتطبيق مجموعة من إجراءات تحليل الصور على البِكسلات التي تتألف منها الصورة. وعند الرغبة في اكتشاف الحركة –مثلاً- يجري التقاط صورة ثم مقارنتها بالصورة التي تليها للتحقق من أن شيئاً ما قد تحرك.

يعد التفاعل البصري بين الإنسان والآلة من أكثر مجالات البحث شيوعاً، ومن مجالات البحث المهمة في هذا المضمار تحليل تعابير الوجه بهدف تعرُّفَ المشاعر بصرياً، وملاحقة حركات الجسم body movement tracking وتعرّف الإيماءات gesture recognition التي تُستخدم غالباً لتحقيق التفاعل المباشر بين الإنسان والحاسوب على هيئة أوامر وأفعال موافقة لها؛ مثل التحكم في برامج تعزف الموسيقى وفقاً لحركات يد المستخدم، والتحكم في الكراسي المتحركة بإيماءات الرأس، وفي كثير من الألعاب الافتراضية (الشكل 2). وتعد ملاحقة العين eye tracking شكلاً غير مباشر من أشكال التفاعل بين الإنسان والآلة، وتستخدم عادة لتفهم اهتمامات المستخدم بصورة أفضل ومعرفة نواياه، أو لمساعدة ذوي الاحتياجات الخاصة في إعطاء الأوامر؛ مثل تحريك المؤشر على الشاشة، أو الغمز بالعين للضغط على الأزرار. ويجري بعض الباحثين محاولات لدمج هذه الطريقة في طرائق أخرى للتفاعل (صوتية أو حسية)؛ مثل ملاحقة حركة الشفاه التي أضحت طريقة مساعدة لتصحيح أخطاء تعرف الكلام.

الشكل(2) تطبيقات لتفاعل الإنسان مع الآلة باستخدام الرؤية الحاسوبية.

2.    الليزر والثنائي (الديود) المشع للضوء (اللّد)

يستخدم الليزر والثنائي المشع للضوء (LED) Light-Emitting Diode أدواتٍ مساعدة في نظم التفاعل المعتمدة على الكاميرات أو بديلاً منها. تعد هذه الأجهزة أبسط من الكاميرات وأصغر منها؛ إلا أن تطبيقاتها محدودة، وعادةً ما تكون واجهات لحركات اليد، مثل مِحسّ تعدد اللمسات المعتمد على الثنائي المشع للضوء LED-based multitouch sensor (الشكل 3)؛ إذ توضع ثنائياتٌ مشعةٌ للضوءِ تحت الأحمر IR LED ومِحسّات للأشعة تحت الحمراء مجاورة لها، وعندما تكون الأصابع قريبة من الديودات يضيء الضوء تحت الأحمر عليها، وينعكس عليها لتلتقطها المِحسّات، وتمثّل بذلك دخلاً لواجهة النظام التفاعلي.

الشكل (3) واجهة لدّ LED.

 

يعمل نظام الليزر بطريقة مماثلة؛ حيث يجري إصدار ضوء لتلاحقه المحسات، مثل تلك المستخدمة في تطبيقات لوحاتِ المفاتيح المـُسقَطَة الافتراضية virtual projected keyboard (الشكل 4).

الشكل (4) لوحة مفاتيح ليزرية افتراضية.

التقانة المعتمدة على الصوت

تاريخياً كان التركيز الأكبر للبحوث على تعرف الكلام speech recognition (تحويل الكلام المنطوق إلى نص مكتوب)؛ بهدف التحكم صوتياً في إصدار الأوامر للحاسوب أو التلفاز، أو أجهزة الإنارة أو غيرها. يفيد تعرّف المتكلم speaker recognition- من جهة أخرى- في تمييز الأشخاص اعتماداً على أصواتهم. أما تركيب الكلام speech synthesis فيستخدم لتحويل النصوص المكتوبة إلى كلام مسموع؛ ممّا يتيح للمعوقين سماع إجابات الآلات والتفاعل معها. ظهرت حديثاً مساعٍ عديدة لدمج المشاعر البشرية في التفاعل الذكي بين الإنسان والآلة؛ إذ تتركز جهودٌ بحثية على تحليل المشاعر emotion analysis وتركيبها ضمن الإشارات الصوتية. يساعد تحليل الإشارات الصوتية الأخرى التي يصدرها الإنسان human-made Noise /Sign -detection  مثل التثاؤب والتنهد وغيرها- على تصميم نظم تفاعل أكثر ذكاء. ومن جهة أخرى فإن توليد الموسيقى والتفاعل معها يعد مجالاً حديثاً للغاية في طرائق التفاعل، وله تطبيقات في المجال الموسيقي تَستخدِمُ منهجيات التفاعل البصري والصوتي معاً.

يعتمد نظام الإدخال بوساطة الجلد skinput منهجيةً شبيهةً بتخطيط العضلِ صوتياً acoustic myography؛ فعند النقر على الجلد تتولد أشكال مختلفة من الطاقة الصوتية تؤدي إلى انتشار هذه الموجات عبر الجلد (الشكل 5)، وتتحرك المنطقة المجاورة إلى مكان الضغط؛ فيلتقط النظام هذه المعطيات ويستخدمها لمعرفة أين جرت عملية الضغط على الجلد الذي يصبح في هذه الحالة واجهة لإدخال المعطيات.

الشكل (5) نظام الإدخال بوساطة الجلد.

التقانة الحيوية الإلكترونية

التقانة الحيوية الإلكترونية bionic technology هي تقانة تبنى على علم الأحياء والروبوتية وعلوم الحاسوب، ويمكن أن تعرّف بأنها أي تقانة تستخدِم الجوانب الحيوية للجسم أو تراقبها بهدف تنفيذ مهمة محددة؛ فمثلاً هناك العين أو الأذن أو القدم أو الساق أو الأصابع أو اليد الإلكترونية. وتستخدم في هذه التقانة الأقطاب (الإلكترودات) الكهربائية لجمع الإشارات الحيوية الصادرة عن الجسم.

يقسم التفاعل الحيوي إلى فئتين أساسيتين: الأولى تعتمد التخطيط الكهربائي للدماغ Electrocephalogram (EEG) واجهةً بين الحاسوب والدماغ؛ والثانية تعتمد التخطيط الكهربائي للعضلات Electromyography (EMG) للتحكم في العضلات. كما أن هناك إجراءات تفاعل تعتمد منهجيات أخرى مثل التخطيط الكهربائي للقلبElectrocardiogram (ECG) ، إضافة إلى التخطيط الكهربائي للعين Electrooculography (EOG)  .

1.    الواجهات بين الدماغ والحاسوب

ثمة شكلان للواجهات بين الدماغ والحاسوب Brain Computer Interface (BCI) ، يتطلب أولهما زرع الأقطاب الكهربائية داخل الدماغ بعملية جراحية لمراقبة الأنشطة الدماغية، ويمكن استخدام هذه التقانة في إعادة البصر جزئياً إلى المكفوفين بمساعدة عين إلكترونية حيوية. كما تتيح القدرة على التواصل مع الأنسجة الدماغية إمكان الاستعاضة عن بعض المناطق المتضررة من الدماغ برقائق إلكترونية، وكذلك التحكم في ذراع أو يد آلية.

يتطلب الشكل الثاني للواجهات بين الدماغ والحاسوب وضع أقطاب خارجية في نقاط محددة من الرأس (الشكل 6)، حيث يجري تضخيم الإشارات المستقبَلة آلاف المرات. ولا تتيح هذه التقانة إرسالَ إشارات للتحكم في الدماغ؛ لكنها تساعد مع ذلك على تحقيق إنجازات مدهشة؛ مثل التحكم في فأرة الحاسوب أو المناورة بالكرسي المتحرك.

الشكل (6)  يد يجري التحكم فيها عن طريق الدماغ.

 

2.    تقانة التفاعل العضلي الإلكتروني

تعد تقانة التفاعل العضلي الإلكترونيMyoelectric Interaction (EMG)  شبيهة جداً بواجهة التفاعل بين الدماغ والحاسوب؛ إلا أنها تستخدم الأقطاب لمراقبة العضلات وليس الدماغ. ويُعتَمدُ التخطيطُ الكهربائيُّ للتحكم في العضلات في تطبيقات عديدة كواجهات للأعضاء الصنعية مثل الذراع أو اليد، كما توجد هياكل كاملة لجسم الإنسان يمكنها أن تحسِّن من قدرات مستخدميها، مثل الهيكل المساعد على حركة الأطراف  Human (hybrid) Assistive Limb (HAL) (الشكل 7).

الشكل (7) الهيكل المساعد على حركة الأطراف.

من جهة أخرى يمكن تعرف الإيماءات باستخدام التخطيط الكهربائي للعضلات، ويمكن لهذه الإيماءات أن تكون مصدراً للدخل الذي يتحكم في مشغل موسيقى، أو في يد صناعية. كذلك تستخدم هذه التقانة أيضاً لمعرفة مستوى القوة التي تنتجها العضلة بدقة؛ الأمر الذي يعد ضرورياً للتحكم الدقيق في الأطراف الصنعية، مثل التقاط بيضة من دون كسرها.

3.    التخطيط الكهربائي للقلب

يُسجِّلُ التخطيط الكهربائي للقلب (ECG) نشاطَه الكهربائي، ومع أنه لا يوجد تفاعل إرادي مع هذا التخطيط؛ إلا أن هذه التقانة تُعدُّ – جزئياً- من تقانات التفاعل بين الإنسان والآلة؛ إذ أمكن في السنوات الأخيرة صنع ملابس ذكية تراقب صحة الجسم، واستخدمتها بعض الشركات لصنع ملابس تختلف ألوانها وفقاً لضربات القلب.

4.    تخطيط عضلات العين

في تخطيط عضلات العين (EOG) يجري قياس حركات عضلات العين عن طريق أقطاب كهربائية توضع فوق العين، ويمكن استخدام هذه التقانة لتتبع العين في تطبيقات التحكم من بعد، مثل التحكم في التلفاز أو في الكرسي المتحرك أو في لوحة مفاتيح افتراضية تسمح للمعاقين بالتواصل كلامياً مع الآخرين.

تقانة التفاعل باللمس

تقانة التفاعل باللمس tactile technology هي التقانة الوحيدة التي تعتمد على لمس شيء فعلياً، ويُعدُّ الزر المستخدم في لوحات المفاتيح أكثر تقانات اللمس شيوعاً، وقد جرى نَسْجُ نسخٍ صغيرةٍ من هذه الأزرار ضمن الملابس (الثياب الذكية  clothing  smart)  (الشكل 8).

الشكل (8) الثياب الذكية.

 والجدير بالذكر ظهور تقانة اللمس على الواجهات النسيجية Super Cilia Skin (SCS) (الشكل 9)، قد تتطور لتصبح جلداً صنعياً باستجابات حسية، تسمح لشخصين بالتواصل من بعد عن طريق التلاعب في اتجاهات ما يشبه بصيلات الشعر في الجلد. تتيح هذه التقانة مستويات جديدة من الاستجابات الصنعية، وهي ذات مستقبل واعد في مجال الترفيه.

الشكل (9)  تقانة اللمس على الواجهات النسيجية.

بعض أجهزة التفاعل في هذا المجال فريدة مثل تشكيل الطين الرقمي digital clay وتجسيده بالشكل المرغوب باستخدام أجهزة تحكم متنوعة، ثم نقل الشكل رقمياً إلى الحاسوب (الشكل 10). وقد جرى تطوير تطبيقات ثلاثية الأبعاد وربطها بطابعة ثلاثية الأبعاد في مجالات مختلفة. يعد التفاعل ثلاثي الأبعاد شكلاً من أشكال التفاعل بين الإنسان والآلة حيث يمكن للمستخدمين التحرك وإجراء التفاعل في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يعالج كل من الإنسان والآلة معلومات حيث يكون الموضع المادي للعناصر في الفضاء ثلاثي الأبعاد مناسباً.

الشكل (10) الطين الرقمي.

وثمة قفازات تحسس الحركة motion sensing gloves تعمل بالتفاعل اللمسي، وهي دقيقة جداً؛ ممّا يجعلها خياراً جيداً للتحكم في الروبوت وفي الألعاب الحاسوبية من بُعد (الشكل 11).

الشكل (11) قفاز تحسس الحركة.

وهناك أيضاً أجهزة لمسية أخرى؛ مثل أجهزة ردود الفعل اللمسية haptic feedback devices التي تستخدم للتحكم في الأغراض في الفضاءات الثلاثية الأبعاد، كما أنها تتيح إحساساً بردِّ الفعل يجعل عملية التحكم هذه أقرب إلى الطبيعية وأكثر فاعلية، وهي تستخدم في بعض العمليات الجراحية وفي الألعاب والرسوم ثلاثية الأبعاد.

الشكل (12) أجهزة ردود الفعل اللمسية.

التقانة الحركية

تتضمن التقانة الحركية motion technology كل منهجيات التواصل بين الإنسان والآلة التي تعتمد مبدأ استشعار الحركة؛ مثل أدوات قياس التسارع accelerometer وأدوات تحديد الاتجاه gyroscopes؛ إلا أنها لا تُستخدم وحدها بل مع أنواع أخرى من المحسات.

تملك أدوات قياس التسارع وتحديد الاتجاه حساسية عالية للحركة، ولهذا تلفى في كثير من التطبيقات مثل واجهة الفأرة الحساسة للحركة، والتي تعمل عند تحريك اليد وإمالتها، أو تتعقب الإيماءات، كما في نظام تعليم موسيقيٍّ كيف يدير فرقة موسيقية، أو لدى التحكم من بعد في روبوت له مواصفات البشر.

من تقانات تحسس الحركة الأكثر شهرة أجهزة التحكم WII التي تعد مثالاً لدمج المحسات؛ إذ يستخدم فيها محسات للأشعة تحت الحمراء مع جهاز لقياس التسارع لكشف الحركة. كذلك توجد أجهزة خلوية حديثة تتحسس الحركة باستخدام أجهزة قياس التسارع وأخرى لتحديد الاتجاه.

تحمل تقانات التواصل بين الإنسان والآلة الكثيرَ لمستقبل البشر في مختلف المجالات، ولا يمكن التنبؤ مبدئياً بالمستوى الذي يمكن أن تصل إليه هذه التقانات، من حيث تبسيط تفاعل المستخدمين عامة، وذوي الإعاقات خاصة مع الآلات؛ فقد جرى تطوير جيل جديد من الأعضاء الصنعية أو الحواسيب التي تعمل مع الدماغ مباشرة وبمستوى كافٍ من التحكم، أو أدوات لتعرف الكلام، أو كاميرات ذات قدرة هائلة على تعرف الإيماءات البشرية. وسوف تختفي تدريجياً الأدوات التقليدية -كلوحة المفاتيح والفأرة - لتحل محلها أدوات التفاعل من بعد عن طريق الكلام أو الحركات أو النظر أو حتى الأفكار.

وقد طورت واجهات للواقع تماثل بيئة معينة virtual reality وكأن المستخدم من ضمنها، وأيضاً واجهات الواقع المعزز augmented reality interface.

مراجع للاستزادة:

 -   G. A. Boy, The Handbook of Human-Machine Interaction: A Human-Centered Design Approach, CRC Press 2017.

- Kumar, R. Raja et al., Cognitive Behavior and Human Computer Interaction Based on Machine Learning Algorithms, Wiley-Scrivener 2021.

 - Ques10 Team, Human Machine Interaction, Ques10 2020.

 


- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد التاسع مشاركة :

بحث ضمن الموسوعة

من نحن ؟

الموسوعة إحدى المنارات التي يستهدي بها الطامحون إلى تثقيف العقل، والراغبون في الخروج من ظلمات الجهل الموسوعة وسيلة لا غنى عنها لاستقصاء المعارف وتحصيلها، ولاستجلاء غوامض المصطلحات ودقائق العلوم وحقائق المسميات وموسوعتنا العربية تضع بين يديك المادة العلمية الوافية معزَّزة بالخرائط والجداول والبيانات والمعادلات والأشكال والرسوم والصور الملونة التي تم تنضيدها وإخراجها وطبعها بأحدث الوسائل والأجهزة. تصدرها: هيئة عامة ذات طابع علمي وثقافي، ترتبط بوزير الثقافة تأسست عام 1981 ومركزها دمشق 1