面向孤獨癥兒童的社會輔助機器人

　　趙冬斌1     賈美香2

　　1（中國科學院自動化研究所 復雜系統與智能科學重點實驗室 北京 100190）

　　2（北京大學第六醫院 北京 100080）

　?。‥-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn, jia-mx@163.com）

　　摘  要：本文綜述了面向孤獨癥兒童的社會輔助機器人的意義和研究現狀。首先介紹了兒童孤獨癥的表現和所產生問題的嚴重性，采用機器人進行輔助治療的重要性。進而描述了社會輔助機器人研究發展計劃、典型機器人系統、以及治療方法目的等。最后分析總結了社會輔助機器人在孤獨癥兒童治療所面對的關鍵研究問題，提出了建議。

　　關鍵詞：社會輔助機器人，孤獨癥，治療

　　中圖分類號：TPxxx.x

　　Social Assistive Robots for Autistic Children

　　ZHAO Dong-bin1  JIA Mei-xiang2

　　1(Key Lab of Complex Systems and Intelligence Science, Institute of Automation, CAS, Beijing 100190)

　　2(Peking University Sixth Hospital, Beijing 100191)

　　(E-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn, jia-mx@163.com)

　　Abstract This paper surveys the current research status and meaning of social assistive robots for autistic children. Firstly, the symptom of children autism and the seriousness of its problem are introduced, so it is the importance of robots assisting for therapy. Then, social assistive robots research plans, typical robotic systems, therapeutic approaches and objectives, etc. are described. Finally, key research problems on social assistive robots for the therapy of autistic children are analyzed to conclude some suggestions.

　　Key words Social assistive robots, autism, therapy.

　　1 引言

　　幾十年來，世界范圍內報道的孤獨癥患病率越來越高，并且數量增加得越來越快。美國的統計數字表示，目前每150名兒童就有1名孤獨癥患者，而且該比率與種族、民族、家庭等因素無關。套用這個患病率、我國約4.2億的兒童中孤獨癥兒童約有280萬人，數量巨大。孤獨癥兒童的主要障礙表現在與人交往、交流溝通、興趣和行為方面的異常。至今病因不明，因此藥物治療效果不是很明顯。目前比較常用的治療方法包括應用行為分析訓練、結構化教育、音樂治療、感覺綜合訓練以及社會輔助訓練等。研究發現早期干預可以有效阻止以上癥狀的形成，否則這些癥狀會持續到成年，使很多人生活無法自理。為了提高人們對于孤獨癥及相關研究、診斷和護理工作的關注和支持，中國殘疾人聯合會2006年制定的《十一五殘疾人康復規劃》已經把孤獨癥的康復納入規劃當中，聯合國2007年底通過決議，將每年的4月2日定為世界孤獨癥日。

　　孤獨癥兒童的行為和特點使他們易于喜歡一些計算機軟件或系統，自20世紀70年代初開始有人嘗試采用機器人的治療訓練方法，近年來這一方向的研究日益受到關注。歐洲計劃支持的AuRoRA和IROMEC，深入研究了各種機器人在孤獨癥兒童治療方面所發揮的作用，獲得了很多成果，發現機器人可以有效提高孤獨癥兒童的共同關注能力，包括目光接觸、身體接近和肢體運動等。美國、加拿大和日本的科學研究也獲得了類似的結果?？梢灶A期，機器人在孤獨癥兒童的康復訓練中將發揮出更多更重要的作用。這類機器人與助老、助殘機器人并列為社會輔助機器人(Social Assistive Robotics)的三大方向，很多機器人領域的主要國際期刊近來以?？男问綀蟮涝摲较虻淖钚卵芯窟M展。國際期刊Autonomous Robots 2008年第2期?？疭pecial issue on socially assistive robotics, 一半的文章都是關于孤獨癥兒童機器人，Intelligent Service Robotics 2008年第2期?？疭pecial issue on multidisciplinary collaboration for socially assistive robotics。2009年Springer創刊國際期刊International Journal of Social Robotics?？梢?，社會輔助機器人的研究逐漸受到關注，預期將在孤獨癥兒童的早期治療中發揮更重要的作用。

　　下文首先介紹兒童孤獨癥的表現和機器人治療的重要性，然后描述孤獨癥兒童社會輔助機器人的研究現狀，最后給出分析總結。

　　2 兒童孤獨癥

　　孤獨障礙是一組發病在童年早期的心理發育障礙性疾病，多數病例的發育開始于嬰幼兒期，但均在5歲以前就已表現明顯。一般說來，起病年齡越小癥狀越重，他們的主要障礙表現在與人交往、交流溝通、興趣和行為方面的異常[1]。孤獨障礙又稱廣泛性發育障礙(Pervasive Developmental Disorder，PDD)或孤獨譜系障礙(Autistic Spectrum Disorder，ASD)，致病原因至今不明，個體中癥狀嚴重程度差異較大，不同年齡階段癥狀表現也可能發生變化，有的還可持續到成年，很多人生活無法自理。孤獨癥(自閉癥)是廣泛發育障礙中主要的、最具代表性的疾病，也是癥狀表現最顯著、損害最廣泛的一種[1]。

　　幾十年來，世界范圍內報道的孤獨癥患病率越來越高，并且數量增加得越來越快。據美國的統計數字表示，剛開始認為孤獨癥只是一種罕見的疾病，到近幾十年來的患病率的節節攀升，從每600名兒童就有1名(1/600)，到1/250，到目前的患病率為1/150，而且與種族、民族、家庭等因素無關，男童的患病率明顯高于女童，約為4~7:1[1]。孤獨癥兒童的數量比糖尿病、艾滋病和癌癥的兒童總和數還要多[2]。我國也進行了幾次調查，由于人們尤其是農村的重視程度不夠、診斷的標準概念不一致使診斷出來的都是重癥兒童。而我國實際患有孤獨癥的兒童約有280萬人，已成為嚴重的社會問題。

　　著名的孤獨癥專家Wing[3]在1996年定義了孤獨癥的三大核心癥狀：社會交往、溝通交流、和想象力發展的缺陷。社會交往缺陷指的是不能與他人建立一種有效的社會關系，包括不善于理解他人意圖、感情或想法，如對于一個孤獨癥患者，在回答別人 “你喜歡我新車的顏色嗎？”的問題時會說“我認為這個顏色不好?！睖贤ń涣魅毕莅ㄕZ言和非語言的交流，很難理解手勢和面部表情、理解比喻或其他解釋，如回答別人“火車站在那里？”時會說“我知道”。想象力缺陷指游戲或想象的活動能力有限，不能像正常兒童一樣很好地參與到角色扮演的游戲中，如扮演一個國王等。這種定義后來被孤獨癥協會普遍認可。孤獨癥的各種癥狀、都可歸于上述三個方面的缺陷，并且孤獨癥是上述三個方面的缺陷綜合體，孤獨癥患者同時表現出這些缺陷。

　　目前國內的孤獨癥治療還十分依賴藥物，而孤獨癥的致病原因至今不明，讓孩子吃藥治療并不是有效的手段。一些心理治療方法、社會輔助康復手段具有同等重要的地位、如應用行為分析、結構化教育、音樂治療、地板時間、感覺綜合訓練以及社會輔助等[1][5][6]。早期干預可以阻止以上癥狀的形成，減少出現的可能。Jarbrink對英國的孤獨癥的經濟影響分析，早期診斷和治療能使終身養護費用減少三分之二[7]，凸現了早期診斷和干預的經濟重要性。

　　3 社會輔助機器人

　　孤獨癥兒童更愿意獨處、喜歡玩簡單的玩具、更容易接受簡單、單一和結構化的物品。然而，實際生活環境并不是那么理想，他們常常表現出無所適從、以至情緒失調的現象。孤獨癥兒童的行為和特點使他們易于喜歡一些計算機軟件或系統，這使得采用計算機系統和機器人的孤獨癥狀治療方案近年來受到關注、成果顯著。計算機軟件可以使孤獨癥兒童的注意力集中在計算機屏幕上，專注時間加長，通過計算機軟件可以學習說、讀能力，以及多人游戲中培養合作交流能力[8][9]。Strickland等設計了高度結構化的虛擬環境用來教會孤獨癥兒童一些社會和生活技能，如過人行橫道、如何排隊、找座位等[10]。

　　與計算機軟件和虛擬環境不同，孤獨癥兒童與實物機器人進行交往更具有多模態和實體等特點，這種面對面的交流過程，可以更好地促進他與正常人的交往[11]。1976年，人們開始采用遙控機器人對一個7歲孤獨癥兒童進行治療研究[4]。自從20世紀80年代，機器人作為一種社會輔助手段，在孤獨癥兒童的治療和教育中所發揮的作用逐漸增強，與助老、助肢體殘疾并列為社會輔助機器人的三個主要方向[12]。1998年，研究計劃AuRoRA(譯為南極之光計劃)[13]的啟動，開啟了面向孤獨癥兒童的社會輔助機器人研究的新領域，使通過機器人治療兒童的孤獨癥的手段更多地得到人們的重視。

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　　3.1 AuRoRA計劃

　　AuRoRA計劃專門從事針對孤獨癥兒童治療的機器人系統研究，該計劃獲得了很大成功?？蒲腥藛T研制了多種機器人，通過角色輪換和模仿游戲教會孤獨癥兒童一些社會交互技能。機器人剛開始作為孤獨癥兒童與家長或看護人員共同關注的一個媒介，再逐漸鼓勵孤獨癥兒童與成人和看護人員的交互[13]?？蒲腥藛T通過長期研究實驗，總結出面向孤獨癥兒童的社會輔助機器人需要滿足以下幾個方面的共性需求[13]：整體要求、機器人應該能完成所設計的各種活動內容；耐用性、孤獨癥兒童的康復訓練和治療是一項長期活動，機器人至少要能正常工作2個月以上；容易操作性、通常由家長或看護人員進行機器人操作，即使他們沒有很多機器人或計算機方面的知識也要能容易操作；實驗結果記錄分析、能夠記錄所有的實驗結果，以便對訓練和治療的結果進行保存和分析。下面介紹一些典型的系統。

　　Robota[14]是一個45 cm高的仿人機器人，采用商業玩偶的主要部件，在兩個手臂、兩條腿和頭各裝有1個電機實現運動，還配備了一些紅外發射/接收器、光傳感器和視覺傳感器等。研究人員開發了兒童運動識別算法、語言合成算法等。在人機交互游戲時，孤獨癥兒童可以站在Robota面前作出各種手臂動作，Robota通過運動識別算法進行識別，并做出模仿動作。當兒童觸摸Robota時，其做出反應、通過語言合成算法說出被觸摸的部位和功能，吸引兒童的注意力。Robota還可以模仿兒童的說話。實驗結果表明孤獨癥兒童愿意與Robota進行交互游戲。如圖1，左側的兩個圖分別是Robota骨架和著衣的樣子，右側的圖是在進行人機交互游戲的場景。

　　KASPAR[15]是由Hertfordshire大學開發的機器人，接近正常兒童尺寸。 頭頸部有8個自由度可以實現張嘴、眨眼等動作，手臂和手有6個自由度。利用該機器人豐富的手勢和表情來研究更精細的模仿訓練在孤獨癥兒童康復中的作用。圖2左側前兩個圖為KASPAR的不同面部表情變化。研究取得了許多令人可喜的成果，如圖2左側第3個圖為模仿的結果，右側圖展現了當兒童對機器人有了一定了解，他們會自發主動地向機器人和旁觀的看護人員展示自己的反應（如模仿睜大眼鏡），與看護人員交流、共享他們對機器人的認識和看法[16]，很好地完成了康復訓練中由人機交互向人人交互的過渡任務。

　　3.2 IROMEC計劃

　　作為AuRoRA計劃的后續，2006年，歐盟第六框架計劃啟動了IROMEC計劃[17]，支持研究機器人玩具如何能起到一個媒介作用，促使精神殘疾兒童能共同游戲和娛樂。研究計劃中包括英國、奧地利、荷蘭、意大利和西班牙等國家的科研人員。研究計劃從機器人本體、實驗場景、評價體系等各方面進行了細致的探討[18]。

　　研究人員發現，孤獨癥兒童的個體差異性很大，不同兒童對機器人可能有不同甚至完全相反的需求，對機器人開發提出了很大的挑戰。研究人員通過機器人硬件和軟件的模塊化來實現這種要求，機器人系統由兩個獨立部分組成，一個移動平臺和一個用于多模態交互的可替換應用模塊，如圖4所示。應用模塊可以安裝在移動平臺上運行，也可以獨立運行。支撐軟件設計了各種實驗場景，實驗場景可以由看護人員設置，也可以根據孤獨癥兒童與機器人的交互情況進行自動調整。人機交互可以通過觸摸屏、按鈕和遙控器實現，滿足不同治療需求。

　　根據國際上對兒童和青年功能的分類，提出了用于機器人康復訓練的主要的10個場景：角色輪換；感覺獎勵；模仿游戲；讓他動；跟我來；和我跳舞；建寶塔；把球給我；取得聯系；假裝游戲。通過這些場景的游戲教會孤獨癥兒童社會技能，如排隊、遵守規則、尊重他人的觀點和行動等。而且，這些場景游戲在兒童學習各種基本知識和技能、培養基本交互能力方面具有重要作用，在不同程度上培養了兒童的感知能力、溝通能力、認知能力、情感能力和運動能力。如模仿游戲場景，可以培養兒童的身體感知能力、運動能力和手眼協調能力。實驗場景需要精心設計，如用于培養感知能力的場景，包括視覺感知、觸覺感知、空間感、身體感覺等，采用多傳感器刺激可能會引起兒童感知的混淆，因此，需要在傳感刺激的強度、頻率、持續時間、復雜度和新穎性等多方面根據不同兒童的個體特性進行設定。

　　如何評定上述場景在孤獨癥兒童康復訓練中的作用，該計劃開發了一個評價工具（包括問卷和軟件），可以輔助老師或看護人員設定訓練目標、制定計劃、選擇相關的訓練場景、監測兒童的訓練進程，結合定性和定量方法對訓練效果給出評價。

　　3.3 其他研究計劃

　　其他國家的科研人員也進行了許多卓有成效的研究工作，典型工作如圖5所示。

　　加拿大的Michaud的研究小組等[19]研究了具有不同交互能力的不同種類的機器人，包括大象機器人、有胳膊和尾巴的機器人、球形機器人RoBall[20]、輪式移動機器人Tito[21]。Tito包括仿人的外形、輪式移動平臺、會擺動的胳膊、可旋轉俯仰的頭部、由一排發光二極管組成的微笑的嘴、以及類似毛絨玩具的眼鏡、鼻子和帽子等。在機器人Tito的實驗過程中，將孤獨癥兒童分為兩組進行對比實驗，分別用機器人或看護人員作為媒介，進行共同關注和共同行為的訓練。結果發現以機器人為媒介的一組兒童的共同關注能力得到明顯提高，包括目光接觸、身體接近、面部表情和肢體運動等。同時也發現以看護人員為媒介的一組的共同行為能力更強，如身體動作的模仿等，造成這種現象的原因可能是機器人的運動能力有限，影響了兒童的理解。

　　日本的Wada等[22]開發了一個寵物機器人Paro，用來模仿小海獅的外形和行為。日本的Kozima等[23]開發了外形生動的遙控機器人Keepon，固定在桌面上，運動機構比較獨特，采用木偶的操作原理、由電機帶動繩子來控制機器人的俯仰、搖擺等四個自由度的運動，可以實現與人注視和顯示出愉快或興奮表情的交往方式。Keepon通過對兒童進行面部跟蹤和目光接觸、改變機器人面部表情的實驗，發現該機器人可以引起兒童的強烈好奇心，而且有效地促使了孤獨癥兒童之間進行交流，在實驗之前并沒有預期會得到這樣好的結果[24]。

　　美國的南加州理工大學的Tapus等人[12]認為對于這種社會輔助機器人，其外形的仿人性更為重要，設計的機器人Bandit采用輪式平臺，具有比較完善的手臂和頭部機構，可以實現細致的動作。耶魯大學的Scassellati等[25]開展了孤獨癥兒童的機器人診斷研究。

　　在孤獨癥兒童的機器人診治方面，我國均未見到相關研究報道。

　　4 結束語

　　社會輔助機器人作為一個媒介，能促進孤獨癥兒童與機器人的游戲，通過游戲學習各種社會技能，在孤獨癥兒童的康復訓練中扮演了重要的角色，這一點已得到普遍認可。退一步說，社會輔助機器人系統至少能夠緩解父母或看護人在與孤獨癥兒童一對一的看護過程中的長時間重復活動的疲勞，可以使父母從細節中解放出來，更多地考慮孩子的行為變化，制定下一步的治療程序和手段。

　　在上述介紹中，歐洲計劃的持續時間最長、成果更系統化，取得的治療效果也最好。但面向孤獨癥兒童這樣一個龐大的群體，社會輔助機器人的系統開發、以及臨床實驗，目前仍然處于初級階段。尚需要研發各種形式的機器人本體，在模塊化、擬人化、易操作性、安全性、多模態人機交互性等多方面為機器人的研發提出了挑戰。需要針對不同個體，更加精細系統地設計各種康復訓練計劃，并進行長時間的康復訓練實驗，建立康復訓練的有效評價體系來評價治療效果，指導下一步的訓練。

　　而我國孤獨癥兒童的數量巨大，其社會問題和經濟問題嚴重，希望能引起有關決策部門重視，加大對該研究領域的重視和投入。通過科研人員、醫療人員和看護人員的共同努力、改善孤獨癥兒童的癥狀、提高其社會生存能力。我們認為，這些探索無論從科技還是社會角度來講都是有益的。

　　References

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　　24． Kozima H, Yasuda Y, Nakagawa C. Social interaction facilitated by a minimally-designed robot: Findings from longitudinal therapeutic practices for autistic children, Proceedings of IEEE International Workshop on  Robot and Human Interactive Communication, Jeju, Korea, 2007, 599-604.

　　25． Scassellati B, Crick C, Gold K, Kim E, Shic F, Sun G. Social Development, IEEE Computational Intelligence Magazine, 2006, 1(3): 41-47.

　　趙冬斌 中國科學院自動化研究所副研究員. 主要研究方向為計算智能、機器人、智能交通. 本文通信作者.

　　E-mail: dongbin.zhao@ia.ac.cn .

　　(ZHAO Dongbin Associate Professor at the Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. His research interests include computational intelligence, robotics, and intelligent transportation, and. Corresponding author of this paper.

　　賈美香 北京大學第六醫院 主任醫師. 主要研究方向為孤獨癥兒童診治.

　　E-mail: jia-mx@163.com.

　　(JIA Mei-xiang Chief physician at the Peking University Sixth Hospital. Her research interests include the diagnose and therapy for autistic children.)