实践研究

2017年6月6日
第15卷，第2期

实践研究
- 面向服务欠缺社区的技术
- 个人制造

计算机科学最佳研究成果专家精选指南

本期“实践研究”提供精选阅读指南，内容涉及面向服务欠缺社区的技术和个人制造的新发展。首先，Tawanna Dillahunt 描述了面向服务欠缺和贫困社区的设计考虑因素和技术。为全球超过 16 亿贫困人口进行设计需要特别考虑社区需求、制约因素和背景。Tawanna 的选择涵盖了劣质通信网络的协议、社区驱动的内容生成以及资源和公共服务发现。其次，Stefanie Mueller 和 Patrick Baudisch 概述了个人制造（例如，3D 打印机）的最新进展。他们的选择涵盖了制造（和模拟）复杂材料的新技术（例如，通过操纵物体的内部结构）、更轻松地指定物体形状和行为的技术，以及人机回路快速原型设计。总而言之，这两份指南深入探讨了一些最新以人为中心的计算机科学研究成果，内容引人入胜。

与往常一样，我们在本专栏中的目标是让读者在周末下午的阅读时间内成为计算机科学研究最新主题的专家。为了方便这一过程，我们已开放访问数字图书馆，以便您全面欣赏这些精选文献中的相关引文。请尽情享用！——Peter Bailis

面向服务欠缺社区的技术

作者：Tawanna Dillahunt

根据 2013 年全球多维贫困指数，在分析的 104 个国家中，有 16 亿人——或超过 30% 的人口——在健康、教育和生活条件方面处于贫困状态。¹ 在此，这些个人和面临类似情况的人被称为服务欠缺人群。

设计和构建技术以支持这些服务欠缺社区的人们存在若干复杂性。克服这些复杂性需要以下几点

• 了解特定服务欠缺人群的需求，并赋能或使该人群中的个人能够产生信息并开发自己的解决方案。

• 了解服务欠缺个人经常面临的背景和制约因素，例如有限或不存在的阅读技能、数字素养、互联网和技术访问，以及在许多情况下，基础设施（例如，没有电力或水）。服务欠缺人群中的个人通常面临社会障碍，例如有限的社交网络、社会隔离以及我们无法控制的系统性问题，例如社会或收入不平等。此外，这些问题和限制因地区而异，在一个情况下可能显得成功的平台可能不适用于另一种情况。

• 开发可持续或能够在资源有限的环境中维持自身的技术。

• 考虑到仅靠技术可能无法满足某些服务欠缺社区的需求，因为这些社区面临着独特的因素。技术的益处通常仅限于相对富裕、受过教育且社交关系广泛的人群。

此处展示的最新发表的论文主要围绕技术，旨在支持服务欠缺社区的需求。这些选择代表了的多个场所，包括计算机与发展研讨会、人机交互系统会议和交互系统设计会议。这些选择还代表了多个地区——包括来自全球南方和全球北方的研究——以及多种技术产品，包括一种旨在优化挑战网络环境下移动应用程序通信的产品，以及长期和短期应用程序部署。这些选择还包括满足传统服务欠缺群体（例如，低资源、盲人和失业人员）需求的努力和方法。

最后，至少有一项选定的作品例证了以下技术解决方案：(1) 解决由基础设施不良引起的问题，例如不稳定的网络连接和电力（Brunette 等人）；(2) 使个人能够产生信息，而不仅仅是消费信息，正如 Dell 和 Kumar² 提出的那样（Vashistha 等人）；以及 (3) 支持社区内个人之间的联系，或支持低资源社区和高资源社区之间的联系，以进行信息和资源共享，正如 Heeks 和 Bhatnagar³ 提出的那样（Vashistha 等人和 Dillahunt 等人）。

旨在解决网络环境差问题的技术

Brunette, W., Vigil, M., Pervaiz, F., Levari, S., Borriello, G., Anderson, R. 2015. 优化挑战网络环境下移动应用程序通信。《第六届计算机发展年度研讨会论文集》：167-175。 http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2830644

本文介绍了一种可配置的数据传输框架，旨在最大限度地减少特殊情况下移动应用程序的网络连接问题。例如，ODK（开放数据工具包）是一套免费且开源的工具，可帮助资源匮乏地区的组织编写、部署和管理移动数据收集解决方案。ODK 用于移动应用程序部署中，以使用全球定位系统位置和图像收集健康和社会经济调查。在埃博拉或脊髓灰质炎爆发等情况下，快速通知他人重要的健康问题需要在具有挑战性的网络环境下进行可靠的数据传输。

本文的作者贡献了 ODK Submit，这是一种 Android 服务，通过为 Android 应用程序提供通道监控和传输调度机制来协调数据通信。ODK Submit 通过实现稀疏异构网络的应用程序级优化、通过可用通道发送适当的数据以及识别挑战网络环境中的可用连接来改进部署。它还使部署架构师（即，定制现成软件包的非开发人员）能够定制移动应用程序软件，以提高在这种具有挑战性的环境中的数据传输可靠性。本文贡献了一个框架，用于优化资源有限环境下的移动应用程序性能。

通过赋能信息生产来支持社区内个人之间联系的技术

Vashistha, A., Cutrell, E., Borriello, G., Thies, W. 2015. Sangeet Swara：印度农村地区社区主持的语音论坛。《第 33 届人机交互系统年度会议论文集》：417-426。 http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2702191

Sangeet Swara 是一个基于印地语的社交媒体语音论坛，用于歌曲和文化内容，它是使用 IVR（交互式语音应答）系统构建的。Vashistha 等人希望了解这种系统如何实现财务可持续性。为了实现 Sangeet Swara 的财务可持续性，作者致力于通过让社区审核内容来降低社区审核员的成本。

致电 Sangeet Swara 的人记录语音消息、收听录制的消息、对其进行投票并共享它们，而无需访问互联网。呼叫者通过对语音论坛进行投票来帮助管理内容，以此作为优先播放给其他人的方式，同时也消除了对审核员的需求。

该系统的使用取得了成功，并被低收入社区以及视力障碍的低收入个人广泛采用；在一个为期 11 周的部署中，该系统收到了来自 1,500 多人的 25,000 多个电话和 5,000 条语音消息。在收费电话号码取代免费电话号码后，它并没有实现财务可持续性；然而，解决这个问题的机会仍然存在。

总而言之，作者贡献了一个系统 Sangeet Swara，该系统赋能低收入社区成员生产信息并建立社会资本，这对于连接和加强社区至关重要。社区通过对帖子进行分类和评级来管理论坛，从而消除了对单一审核员的需求——这是朝着创建自我维持系统迈出的一步。

连接低资源社区和高资源社区以进行信息共享的技术

Dillahunt, T. R., Bose, N., Diwan, S., 和 Chen-Phang, A. 2016. 为弱势求职者设计：早期调查的见解。《交互系统设计会议论文集》：905-910。 http://socialinnovations.us/assets/papers/pn0497dillahunt.pdf

本文重点关注来自美国低收入社区的失业求职者。作者进行了以用户为中心的设计过程，以创建和部署 Review-Me，这是一个基于网络的应用程序，为当地受雇人员中的失业人员提供简历反馈。虽然应用程序部署成功地连接了当前的学生求职者，但它揭示了服务欠缺求职者的局限性和制约因素。例如，服务欠缺求职者并不总是能够访问数字简历，或者不了解如何以数字形式重新创建纸质简历。求职者很少有电子邮件地址，而那些有电子邮件访问权限的人常常忘记密码。最后，低识字率使得这些求职者很难注册使用该应用程序。

这项工作的成果提出了解决这些缺点的三个基本设计原则：(1) 兼容性（例如，系统应接受简历的照片图像）；(2) 实用性（例如，系统应提供离线提交简历的方式，例如通过自助服务终端或离线网络设备）；以及 (3) 熟悉性（例如，系统应允许通过短信或熟悉的移动帐户（如 Instagram 或 Facebook）进行注册）。

研究结果引发了人们的担忧，因为雇主越来越要求求职者在线申请；政府服务，例如失业救济金，必须在线申请（在某些情况下，可以通过电话完成）；以及其他服务，例如医疗保健甚至住房，都在网上进行研究和获取。将服务欠缺的求职者与受雇人士联系起来是值得称赞的。然而，如果不使这些技术更具包容性，许多人将继续被抛在后面。

结论

对于关心设计、实施和部署包容性工具的计算机科学家来说，构建旨在实现以下目标的软件和软件技术至关重要

• 改善基础设施不良的状况，例如不稳定的网络连接和电力，或提供不需要这些基础设施稳定的解决方案。

• 赋能个人生产信息，而不仅仅是消费信息（Dell 和 Kumar，2016）。

• 将个人与拥有更多资源的人联系起来，并帮助支持社区内部和跨社区的发展。

在创建软件时，计算机科学家和从业人员应考虑资源有限地区持续存在的问题，例如电力和水的不稳定供应以及整体基础设施薄弱。为其他制约因素（例如有限的阅读能力和数字素养以及有限的互联网访问）进行设计通常对服务欠缺群体以外的人群也有益。赋能个人生产信息并加强社区内部和跨社区的联系对于减少我们无法控制的系统性问题（例如社会或收入不平等）至关重要。

参考文献

1. Alkire, S., Roche, J. M., Seth, S. 2013. 2013 年多维贫困指数。牛津贫困与人类发展倡议； http://www.ophi.org.uk/wp-content/uploads/Global-Multidimensional-Poverty-Index-2013-8-pager.pdf?0a8fd7。

2. Dell, N., Kumar, N. 2016. 面向发展的 HCI 的来龙去脉。《CHI 人机交互系统会议论文集》：2220-2232。

3. Heeks, R., Bhatnagar, S. C. 1999. 理解信息时代改革的成功与失败。载于 R. Heeks（编），《信息时代的政府再造：IT 赋能的公共部门改革国际实践》：49-74。伦敦：Routledge。

个人制造

作者：Stefanie Mueller 和 Patrick Baudisch

个人制造工具（如 3D 打印机）正在为非技术用户能够创建自定义物体的未来铺平道路。随着 3D 打印硬件价格的近期下降，这些工具即将进入大众市场。普通消费级 3D 打印机的成本已从 2007 年的约 14,000 美元降至今天的 500 美元。鉴于价格的下降，消费级 3D 打印机的销量每年翻一番也就不足为奇了——从 2010 年的 6,000 台增加到 2015 年的 270,000 多台。

虽然硬件现在更实惠，并且拥有 3D 打印机的人数正在增加，但只有少数人使用打印机来创建 3D 模型。大多数用户从 Thingiverse 等平台下载模型，并在下载后在他们的 3D 打印机上制造它们。用户最多调整模型的几个参数，例如更改其颜色或在预定的形状选项中浏览。

个人制造具有更大的潜力：未来，非技术用户可以使用 3D 打印机创建只有训练有素的专家才能在今天创建的物体，而不仅仅是消费现有内容。在过去的几年中，HCI（人机交互）和图形研究人员一直在努力应对许多挑战，以推动我们走向这样的未来。

在我们的论文“个人制造”（《人机交互基础与趋势》，第 10 卷，第 3-4 期，2017 年）中，我们全面概述了这些挑战，并对 200 多篇最新论文进行了调查。在这里，我们总结了其中的三篇论文，这些论文代表了更广泛的领域。

多材料制造

Vidimce, K., Kaspar, A., Wang, Y., Matusik, W. 2016. Foundry：用于多材料制造的分层材料设计。《第 29 届用户界面软件与技术年度研讨会论文集》：563-574； http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2984516。

通过 3D 打印，用户可以设计物体的每个方面：他们可以创建特定的外观（例如，所需的形状、颜色和反射率）、特定的感觉（例如，通过打印触觉纹理或使用软材料），并且他们可以使物体执行所需的功能（例如，使用导电材料进行打印电子器件或使用光学透明材料进行打印导光管）。功能特性也可以通过设计物体的内部结构来实现——例如，通过重新分配其填充物以移动其质心来使物体站立。最后，通过使用具有结构变化单元的微结构，研究人员已经展示了如何使用单一材料模拟不同的材料行为（所谓的超材料）。

本文提供了一个编辑环境，用于设计这种多材料复合物体。材料定义是通过将一组运算符组合成运算符图来创建的。运算符是使用用于多材料制造的特定领域语言实现的，用户可以通过编写自己的运算符轻松扩展库。

领域知识

Umetani, N., Koyama, Y., Schmidt, R., Igarashi, T. 2014. Pteromys：自由飞行模型飞机的交互式设计和优化。 Transactions on Graphics 33(4), Article 65; http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2601129。

专业的 CAD 工具需要多年的工程培训才能获得必要的专业知识，因为它们可以对设计中的每个参数进行精细控制。HCI 和图形研究人员一直在研究如何创建设计工具，通过让用户指定所需物体的形状和运动来抽象出必要的领域知识；然后，系统模拟机械行为，并批评用户的设计或自动调整设计以使其符合力的要求。

考虑一下本文中提出的设计纸滑翔机的简单示例。根据滑翔机的方向，它将受到阻力，使滑翔机抵抗气流，并受到升力，使滑翔机向上移动。所有力不仅取决于滑翔机的形状，还取决于其在特定时刻的速度和方向；因此，它们随着滑翔机在空中移动而不断变化。这创建了一个庞大的参数空间，用户无法手动处理。本文中描述的设计工具允许用户设计滑翔机的形状，并在他们设计时提供有关飞行性能的实时反馈。

从批处理到轮流处理，再到物理“数据”的直接操作

Willis, K. D. D., Xu, C., Wu, K.-J., Levin, G., Gross, M. D. 2010. 交互式制造：数字制造的新界面。《第五届有形、嵌入式和体现式交互国际会议论文集》：69-72； http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1935716。

当无法进行模拟时，例如在测试设计的美学和人体工程学时，用户必须制造物体才能对其进行评估。由于 3D 打印速度如此之慢，用户在打印前必须仔细考虑，因为每个错误都可能意味着另一个长达一小时甚至通宵的打印。

然而，规划每个步骤对于非技术用户来说是不可行的，因为他们缺乏推理其设计决策后果的经验。为了解决这个问题，研究人员建议重复个人计算用于个人制造的用户界面演变。计算也始于一次通宵运行程序的机器。然后，出现了诸如命令行之类的轮流处理系统，这些系统在每次输入后都向用户提供反馈；最后，直接操作界面（例如今天的多点触控设备）在编辑期间向用户提供连续反馈。将相同的交互概念应用于制造会产生与今天所见截然不同的工作流程。

在本文提出的新的“交互式制造”工作流程中，用户使用物理工具在物理工件上动手操作（很像在工艺制作中），并看到物理工件在他们编辑时立即发生变化。快速反馈循环允许用户评估每个中间步骤，从而使他们能够沿途调整他们的决策。这有可能使物理数据的编辑像今天在多点触控设备上编辑数字数据一样容易。

结论

个人制造何时才能普及到消费者？这段旅程才刚刚开始。如果将 2009 年视为起点（即，当第一批专利到期，第一台低成本 3D 打印机 MakerBot Cupcake CNC 出现在市场上时），那么我们显然仍处于将个人制造交付到消费者手中的初期阶段。

如果今天的个人制造感觉像是业余爱好者的利基技术，那很可能是因为还有几十年的路要走。我们应该耐心看待中间的进展。其他技术（如个人计算）的成功在它们出现几十年后当然无法预测（想想 IBM 总裁 Thomas Watson 在 1943 年所说的话：“我认为全球市场可能只需要五台计算机”）。

如果个人制造的普及程度能像个人计算那样，我们仍然有一段令人惊叹的旅程在等待着我们。

Tawanna Dillahunt 是密歇根大学信息学院的助理教授，并在电气工程和计算机科学系担任礼聘职位。她领导社会创新小组 (www.socialinnovations.us)，这是一个由专注于普适计算和社会计算技术研究和开发的个人组成的跨学科小组，其愿景是设计、构建和增强创新技术，以解决现实世界的问题。Dillahunt 与同事合作，使用以人为中心的设计方法以及来自多个学科（例如，心理学、普适计算、法律、社会学、经济学、设计和健康）的研究，探索技术可以用来解决主要由服务欠缺社区的人们面临的关键问题的方式。她获得了卡内基梅隆大学人机交互博士学位。

Peter Bailis 是斯坦福大学计算机科学助理教授。他在未来数据系统组 (futuredata.stanford.edu/) 的研究重点是下一代数据密集型系统的设计和实施。他于 2015 年获得加州大学伯克利分校博士学位，并于 2011 年获得哈佛大学计算机科学 A.B. 学位。

Stefanie Mueller 是麻省理工学院电气工程和计算机科学系的助理教授，兼任机械工程系教职，并且是麻省理工学院 CSAIL（计算机科学与人工智能实验室）的成员。在她的研究中，她开发了推进个人制造技术的新型硬件和软件系统。她的作品已在人机交互（ CHI 和 UIST）的顶级会议上发表，并获得了多个最佳论文和荣誉提名奖。Mueller 还担任 CHI 和 UIST 项目委员会的副主席。此外，她还曾受邀在麻省理工学院、斯坦福大学、伯克利大学、哈佛大学、卡内基梅隆大学、康奈尔大学、华盛顿大学、苏黎世联邦理工学院、微软研究院、迪士尼研究院和 Adobe 研究院等大学和研究实验室发表演讲。

Patrick Baudisch 是波茨坦大学哈索·普拉特纳研究所的计算机科学教授，也是人机交互实验室的主席。他的研究重点是物理计算，特别是个人制造和触觉。此前，Baudisch 曾在微软研究院自适应系统和交互研究小组以及 Xerox PARC 担任研究科学家。他拥有德国达姆施塔特工业大学计算机科学博士学位。他于 2013 年入选 CHI 学院，并自 2014 年以来一直担任杰出科学家。

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