兒童智能玩具的交互模型研究

展延蕊，張 昆

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能玩具市場(chǎng)迅速膨脹，越來越多的智能玩具走進(jìn)了兒童的生活中。然而智能玩具市場(chǎng)同質(zhì)化嚴(yán)重且缺乏創(chuàng)造性，導(dǎo)致兒童使用過程中的體驗(yàn)性較差[1]，不能很好地娛樂身心；另外，兒童在不同年齡階段其認(rèn)知能力與運(yùn)動(dòng)能力也大有不同，很多智能玩具在玩耍中都不符合相應(yīng)兒童的身心特點(diǎn)。因此，建立兒童智能玩具的交互系統(tǒng)模型并分析信息處理過程，找出其中影響交互和諧的要素能更好地滿足兒童的個(gè)性化需求，讓智能玩具真正給兒童帶來快樂和知識(shí)。

1 兒童智能玩具

1950年Johan Huizinga的著作《人類和玩耍》（《Homo Ludens》）中提出：“玩”是人類的天性，是人類的特質(zhì)，是人類文化的根，是所有神話和宗教儀式的基礎(chǔ)，是藝術(shù)、文學(xué)、法律、商業(yè)、科學(xué)等所有文明力量的潛在推動(dòng)力[2]。玩具是游戲的物質(zhì)載體，毫無疑問，對(duì)兒童的成長(zhǎng)發(fā)展起到重大作用。

智能玩具其集高科技、教育與娛樂特性于一體，改變了兒童的生活方式，給兒童帶來了不同以往的體驗(yàn)。智能玩具種類非常多，市面上常見的智能玩具種類主要有：陪伴對(duì)話機(jī)器人類（小優(yōu)機(jī)器人、樂城機(jī)器人等）、動(dòng)作類機(jī)器人類（會(huì)跳舞的阿爾法機(jī)器人等）、平板類（菲比精靈、小熊尼奧的AR卡片等）、故事機(jī)與學(xué)習(xí)機(jī)類（鐵皮人科技的小雞叫叫等）以及STEM類編程機(jī)器人類（樂高頭腦風(fēng)暴等）。智能玩具不僅擁有考究的外觀，同時(shí)擁有多種應(yīng)用功能，像人一樣靈活可溝通。智能玩具簡(jiǎn)單地說就是將人工智能技術(shù)運(yùn)用到玩具中供兒童游戲的工具，幫助兒童將想象和思維轉(zhuǎn)化成行為，促進(jìn)兒童認(rèn)知以及運(yùn)動(dòng)能力的發(fā)展，在兒童成長(zhǎng)過程中起到了寓教于樂的作用。

所謂智能即系統(tǒng)有以下三點(diǎn)功能：①學(xué)習(xí)功能。類似人的學(xué)習(xí)過程，系統(tǒng)對(duì)一個(gè)過程或未知環(huán)境所提供的信息進(jìn)行識(shí)別、記憶、學(xué)習(xí)并利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善系統(tǒng)的功能；②適應(yīng)功能。這種適應(yīng)能力不僅僅包括對(duì)輸入輸出自適應(yīng)估計(jì)，還包括故障情況下自修復(fù)等；③組織功能。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)和分布的傳感信息，系統(tǒng)具有主動(dòng)且靈活的自組織和協(xié)調(diào)功能[3]。

2 兒童智能玩具的交互模型構(gòu)建

交互是指以輸入輸出裝置為媒介，數(shù)字系統(tǒng)和用戶之間發(fā)生的信息交換過程[4]。兒童與智能玩具的交互中存在一個(gè)相互作用的“面”，稱為用戶界面（User Interface）[5]，人機(jī)之間的信息交流和控制活動(dòng)都發(fā)生在這個(gè)界面上，處理好智能玩具軟硬件與兒童的關(guān)系對(duì)交互的成功至關(guān)重要。兒童與智能玩具之間的交互就是人機(jī)信息傳遞，從信息論的基本觀點(diǎn)來看，這種反應(yīng)過程就是信息在兒童和智能玩具內(nèi)的流動(dòng)過程。其交互模型詳見圖1。

圖1 兒童智能玩具交互模型Fig.1 Interactive module for children and intelligent toys

3 兒童智能玩具的交互系統(tǒng)分析

3.1 兒童信息處理系統(tǒng)

兒童對(duì)信息的處理就是輸入—處理—輸出的過程。兒童的交互行為分為認(rèn)知行為和動(dòng)作行為兩個(gè)部分。認(rèn)知行為是指兒童對(duì)智能玩具在某一時(shí)刻狀態(tài)的識(shí)別、理解、分析，經(jīng)過判斷并發(fā)出指令的行為；動(dòng)作行為是指肌體各運(yùn)動(dòng)器官執(zhí)行指令的行為[6]。

有關(guān)智能玩具狀態(tài)的信息，通過輸出設(shè)備輸入人的感覺器官包括眼、耳、鼻、舌、皮膚等。人的感覺器官各有其特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)能力，其中最常用的是視覺通道和聽覺通道。有研究表明，人類從周圍世界獲取信息約有80%是通過視覺得到的，聽覺感知的信息僅次之[7]。兒童的各個(gè)感覺通道以及識(shí)別的外界信息特征詳見表1。

表1 兒童感覺通道及識(shí)別的外界信息特征Tab.1 Children’s sensory channeland relevant information

刺激信息隨后進(jìn)入機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)，其中最重要的部分就是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，它由腦和脊髓構(gòu)成，是接受外界刺激并發(fā)出指令的指揮中心，是肌體的決策機(jī)構(gòu)。傳入神經(jīng)纖維負(fù)責(zé)接受刺激，一些刺激經(jīng)過神經(jīng)中樞加工后傳出指令給反應(yīng)器官，而有些反應(yīng)不需要經(jīng)過中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其通過周圍神經(jīng)系統(tǒng)直接傳出給運(yùn)動(dòng)器官。肌體存在復(fù)雜的反應(yīng)器官，由肌肉、腺體完成反應(yīng)動(dòng)作，通過肢體動(dòng)作、發(fā)聲器官、面部肌肉、眼部動(dòng)作等形式表現(xiàn)出來，詳見圖2。

決策是指對(duì)刺激信息的處理和加工過程。當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，人腦是一個(gè)信息加工系統(tǒng)，當(dāng)人處于清醒狀態(tài)時(shí)就會(huì)不斷地加工處理來自外部環(huán)境的信息刺激，該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，分別是感受器、感覺登記、模式識(shí)別、短時(shí)記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶。兒童通過感覺通道接受來自外界的信息，經(jīng)過大腦的加工，決策，然后作出反應(yīng)。兒童信息加工系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 刺激與行為反應(yīng)系統(tǒng)Fig.2 System of stimulus and behavioral responses

圖3 兒童信息加工系統(tǒng)Fig.3 Children’s information processing system

感覺器官的感受器接受刺激信息并將其轉(zhuǎn)換為生物電能后進(jìn)入人腦內(nèi)以作進(jìn)一步的加工處理，首先通過感覺登記以短暫保留接收到的信息，然后通過模式識(shí)別，刺激信息被傳遞到短時(shí)記憶系統(tǒng)。模式識(shí)別介于感覺登記和短時(shí)記憶之間，匹配大腦內(nèi)部的感覺信息與先前掌握的存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)中的信息。短時(shí)記憶通過向長(zhǎng)時(shí)記憶復(fù)述某種信息形式如意義、形狀、使圖像、聲音等得以在長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)加工存儲(chǔ)[8]。感覺刺激、決策以及反應(yīng)這三個(gè)階段都離不開注意，它是極其重要的認(rèn)知要素。其功能主要是是對(duì)外界信息進(jìn)行篩選、過濾，幫助大腦選擇需要的信息，并進(jìn)行加工。注意雖然能夠在同一時(shí)間同時(shí)分配給多種活動(dòng)，但注意的資源量是有限的，必須在各個(gè)階段合理分配注意，這樣才能提高信息處理的效率。另外，記憶系統(tǒng)在兒童信息加工系統(tǒng)中至關(guān)重要，記憶是人們學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，分為感覺記憶、短時(shí)記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶。其中較為重要的是短時(shí)記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶。短時(shí)記憶即工作記憶，是人在及時(shí)環(huán)境中操作性的記憶，是通往長(zhǎng)時(shí)記憶的過渡階段，其特點(diǎn)為：①保持時(shí)間短；②記憶容量小。長(zhǎng)時(shí)記憶是信息經(jīng)過感覺器官進(jìn)入大腦，變成記憶長(zhǎng)期甚至永久儲(chǔ)存下來（被意識(shí)到、被注意到的信息），并且在將來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)能夠再次被回憶起來，其特點(diǎn)為：①能長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存、記憶；②記憶容量大，幾乎是無限的；③長(zhǎng)期記憶相對(duì)模糊，可能突出某些情節(jié)、忽略其他；④長(zhǎng)期記憶主觀性較強(qiáng)，受到情境和情緒影響[6]。

人的信息輸出通常表現(xiàn)為效應(yīng)器官的運(yùn)動(dòng)，決策系統(tǒng)發(fā)出指令后，效應(yīng)器官作出反應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)速度和準(zhǔn)確度直接關(guān)系到人機(jī)系統(tǒng)的效率和可靠性。人的信息輸出主要表現(xiàn)為操作運(yùn)動(dòng)和言語。操作運(yùn)動(dòng)包括肢體動(dòng)作、面部肌肉、眼部動(dòng)作等控。其中肢體動(dòng)作包括上肢、下肢、軀干以及頭部動(dòng)作。上肢主要是手部動(dòng)作，下肢主要是腳部動(dòng)作，面部表情是由臉部肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)引起的，致使眼睛、嘴巴、眉毛等面部特征發(fā)生形變[9]。言語是信息輸出的又一基本形式，是從內(nèi)部表象轉(zhuǎn)換為外部語言的過程，主要是控制喉部的肌肉來調(diào)節(jié)聲音的音強(qiáng)、音長(zhǎng)、音色和音調(diào)，其形式簡(jiǎn)單方便且實(shí)用。這些信息輸出與兒童認(rèn)知能力（感知覺、語言、記憶、注意、思維、情感等）與運(yùn)動(dòng)能力（精細(xì)動(dòng)作與大動(dòng)作）息息相關(guān)。

3.2 智能玩具的信息處理系統(tǒng)

信息通過運(yùn)動(dòng)和言語輸出的形式經(jīng)智能玩具的輸入設(shè)備進(jìn)入智能玩具的傳感器。傳感器是一種能將化學(xué)量和物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件，是智能玩具的“感覺器官”[6]，有了傳感器，智能玩具就像人一樣擁有各種感覺。智能玩具的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，內(nèi)部傳感器主要用來檢測(cè)各內(nèi)部系統(tǒng)的狀態(tài)，如位置、速度、加速度、溫度、電機(jī)速度、電機(jī)載荷、電池電壓等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信息送至智能控制器，形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。外部傳感器用于感知兒童以及周圍環(huán)境信息，是智能玩具與外界進(jìn)行交互獲取信息的通道，它可以識(shí)別距離、接近程度和接觸程度等變量，便于智能玩具進(jìn)行物體識(shí)別和處理。智能玩具的外部傳感器是衡量一個(gè)智能玩具是否足夠“智能”的關(guān)鍵。智能玩具的外部傳感器主要8種：

（1）視覺傳感器是智能玩具傳感器中最重要的之一，其通過視覺傳感器獲取圖像進(jìn)行分析，智能玩具像人一樣擁有視覺，能辨識(shí)物體、測(cè)量并且判斷以及實(shí)現(xiàn)定位等。視覺傳感器優(yōu)點(diǎn)十分顯著，在智能玩具中運(yùn)用多個(gè)視覺傳感器或者與其他傳感器搭配使用能獲取豐富信息，得到有關(guān)物體形狀、距離、速度等多種類型信息。

（2）聲音傳感器在智能玩具中的作用和視覺傳感器一樣重要，其作用相當(dāng)于一個(gè)話筒，能夠接收聲波，顯示聲音的振動(dòng)圖象。聲波傳感器可以檢測(cè)聲波存在、分析聲波頻率以及對(duì)連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯進(jìn)行辨別。

（3）擁有距離傳感器的智能玩具類似于智能機(jī)器人，有著可愛的娃娃造型，其距離傳感器有激光測(cè)距儀（兼可測(cè)角）、聲納傳感器等。這幾年比較主流的是激光雷達(dá)傳感器，可用于導(dǎo)航或者躲避障礙物。

（4）觸覺傳感器的主要類型有：壓電式觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、成像型觸覺傳感器、超大規(guī)模集成計(jì)算傳感器陣列，通過觸覺傳感器智能玩具能夠感知諸如溫度、壓力、形狀、紋理、軟硬等物理要素，觸覺傳感器就像人類的皮膚一樣。

（5）接近覺傳感器介于觸覺和視覺傳感器中間，能夠測(cè)量距離、方位并且融合視覺和觸覺信息。一方面智能玩具的接近覺傳感器可以幫助視覺系統(tǒng)識(shí)別物體形狀、位置，另一方面可以幫助觸覺系統(tǒng)識(shí)別物體的表面材質(zhì)。其主要作用一是發(fā)現(xiàn)智能玩具周圍的障礙物，從而限制其活動(dòng)范圍，二是在接觸對(duì)象物前得到必要信息，比如與物體的相對(duì)距離，相對(duì)傾角，以便為下一步動(dòng)作，三是獲取物體表面各點(diǎn)間的距離，從而得到有關(guān)對(duì)象物表面形狀的信息。

（6）滑覺傳感器主要是用于檢測(cè)智能玩具與抓握對(duì)象間滑移程度，即檢測(cè)垂直加壓方向上的力和位移。滑覺傳感器能識(shí)別物體表面粗糙度和硬度，在智能玩具抓握物體時(shí)，需要確定一個(gè)合適的握力，既不損傷物體，又能克服物體重力抓握起來，因此滑覺檢測(cè)功能是實(shí)現(xiàn)智能玩具柔性抓握的必備條件。

（7）力覺傳感器能檢測(cè)智能玩具自身力與外部環(huán)境力之間相互作用力，常位于有著娃娃外形的智能玩具關(guān)節(jié)處，通過檢測(cè)彈性體變形來間接測(cè)量所受力。目前，六維力覺傳感器可實(shí)現(xiàn)全力信息的測(cè)量，因其主要安裝于腕關(guān)節(jié)處亦被稱為腕力覺傳感器。

（8）速度與加速度傳感器。速度有兩種，平移速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度。但大多數(shù)情況下只能測(cè)旋轉(zhuǎn)速度。加速度傳感器一般由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成，能夠測(cè)量加速度，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。智能玩具能夠和人一樣靈敏離不開這8種傳感器。

經(jīng)過傳感器，信息進(jìn)入到智能控制器。智能控制器由六部分組成：智能信息處理識(shí)別、數(shù)據(jù)庫、智能規(guī)劃智能決策、認(rèn)知學(xué)習(xí)、控制知識(shí)庫以及智能推理[3]。其仿效人的信息處理過程，傳感器感知外界信息并將可能影響系統(tǒng)控制的因素輸入到控制器，智能控制器對(duì)這些信息進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)、處理并進(jìn)行規(guī)劃決策，同時(shí)將信息存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫以便為認(rèn)知學(xué)習(xí)提供素材。通過智能決策將指令發(fā)送給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收指令并對(duì)智能玩具輸出設(shè)備施加控制。最后通過智能玩具的輸出設(shè)備進(jìn)行信息表達(dá)，將智能玩具處理的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成兒童易于感知的圖像、物理運(yùn)動(dòng)、聲音等等傳遞給兒童。與此同時(shí)，輸出設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)信息傳回智能玩具的傳感器，形成兒童與智能玩具的交互系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

兒童的認(rèn)知與運(yùn)動(dòng)能力隨著年齡的發(fā)展不斷增長(zhǎng)，在每個(gè)年齡階段各有特點(diǎn)，智能玩具在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮不同年齡階段兒童的認(rèn)知能力與運(yùn)動(dòng)能力，并且要考慮兒童的個(gè)體差異性，使智能玩具能真正發(fā)揮其促進(jìn)兒童認(rèn)知、創(chuàng)造與審美能力的作用，將寓教于樂落在實(shí)處。

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