社交機器人在自閉癥譜系障礙兒童照護中的應用進展

張議丹，趙晨靜，趙明，朱慶華，辛晨陽，渠利霞

自閉癥又稱自閉癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorders，ASD)，是一種廣泛性發展障礙，美國精神病學會《精神疾病診斷統計手冊(第5版)》中將社會和(或)溝通障礙、狹隘興趣與刻板行為列為ASD的核心癥狀[1]，社會溝通障礙是影響ASD兒童社交能力的主要因素。美國疾控中心2018年的統計資料表明，美國每59名兒童就有1名被診斷為ASD[2]。據2017年發布的《中國自閉癥兒童發展報告》數據推算，我國0～6歲ASD兒童已超過100萬，0～14歲兒童患病者達200余萬，我國ASD患病率約為1%[3]。ASD兒童孤僻、刻板的社交行為不僅影響自身的成長生活，更使父母在撫養過程中產生巨大的心理壓力，嚴重影響了照顧者的身心健康[4]。尋找提升ASD兒童社交能力的有效途徑迫在眉睫。當前，人工智能在醫療行業廣泛應用，社交機器人因新奇的外表和它展示的簡單、可預測的社交情景吸引ASD兒童的注意，使其主動參與社交互動，有望為ASD兒童提供新的社交干預模式。此外，目前國內康復及護理人員的短缺成了ASD治療和康復的主要挑戰[5]。而社交機器人可通過編程滿足不同個體的特定需求，輔助醫護人員完成干預措施，緩解醫護人員的壓力。機器人技術已在ASD干預研究中大量應用[6-7]。因此，為了提高ASD兒童康復訓練的有效性和治療的特異性，并解決醫護人員短缺問題，需要引入社交機器人作為ASD治療和康復的輔助手段[5]。本文對社交機器人在ASD照護中的應用進行總結分析，旨在為提高ASD兒童的護理質量提供參考。

1 社交機器人的起源與發展

社交機器人是指以人類的社交模式運行和互動的機器人，旨在參與、娛樂和啟發[8]。1976年，機器人首次被用于ASD兒童社交行為干預訓練。1998年Dautenhahn[9]主持開展“南極光計劃”，他認為機器人簡化的外形設計更易引起ASD兒童的興趣，發起的社交行為簡單，易于接收并做出回應，因此可以改善ASD兒童的社交溝通能力。隨后，研究者致力開發更加靈活、智能的機器人，如通過模仿、眼神接觸、輪流、情緒識別和表達等途徑與ASD兒童互動，訓練他們的技能，從而引出特定、理想的行為，發展ASD兒童的社交相關能力[10]。

2 社交機器人的種類

2.1人形機器人 此類機器人中，Nao機器人和CommU“面聊”機器人可自主與ASD兒童進行對話。其中，Nao機器人是在ASD兒童照護中應用最廣的人工智能社交機器人，由法國Aldebaran Robotics公司發明，高50 cm[11-13]，CommU“面聊”機器人由日本大阪大學工學研究科開發，高30 cm[14]，上述兩種機器人均可通過清晰、發光的眼睛與ASD兒童產生共同注意。由Billard等[15]開發的娃娃機器人Robota和University of Herdfortshir設計開發的簡易人形機器人KASPAR[16]主要通過移動肢體與兒童交流，Robota機器人可鼓勵ASD兒童參與模仿互動游戲，KASPAR機器人可表現面部表情，并對兒童的觸摸做出反應。Tito機器人高60 cm，它使用輪子移動，可以上下活動手臂和左右轉動頭部，還可通過預先錄制的聲音說話[17]。CARO和iRobiQ是由韓國開發的兩種機器人，CARO通過眼球變化展示快樂、悲傷、驚訝和憤怒四種情緒，iRobiQ通過嘴的形狀表達快樂、悲傷、驚訝和羞怯四種情緒，后者的肢體可以伴隨播放的兒歌運動[18]。

2.2動物機器人 Pleo機器人是一種恐龍寵物玩具，RoboParrot機器人外形為鸚鵡，二者都能自主移動，并響應兒童的觸摸和各種互動，且Pleo機器人還可以表現不同的情緒[19-20]。Probo機器人是58 cm高的綠色填充大象，由柔軟的材料和毛皮制成，為ASD兒童提供安全和愉快的物理接觸，它不僅可以通過展現面部表情，還可通過講述具有社交情景的故事來幫助ASD兒童學習社會交往的技巧[21]。

2.3卡通玩具機器人 Keepon機器人高12 cm，主要通過移動頭部與ASD兒童形成共同注意，還可以表達愉快、興奮等情緒并伴隨音樂舞蹈[12]。Charlie機器人是一個綠色的毛絨玩具，它能夠通過移動兩只手臂鼓勵ASD兒童模仿它的行為或捕捉并模仿兒童的手部動作來引起他們的注意[22]。FACE機器人是一個高度仿真的人臉，可以展現六種基本情緒(快樂、悲傷、驚訝、憤怒、厭惡和恐懼)的面部細節，幫助ASD兒童識別不同表情并遷移至日常生活中[23]。

3 使用社交機器人進行干預的方式

3.1作為玩伴 游戲在培養兒童社交能力的過程中發揮著重要作用[24]。ASD兒童難以與其他兒童進行游戲活動，而社交機器人作為玩伴可以為ASD兒童提供安全、愉快的游戲環境，鼓勵孩子無所畏懼地進行游戲互動[10]。社交機器人參與的游戲互動可分為個人游戲和團體游戲。個人游戲中社交機器人能夠根據兒童的喜好和干預目標設計游戲環節，并為他們提供具有安全感的環境，以便引出理想的社交行為；而團體游戲營造的氛圍更貼近日常生活，社交機器人可幫助ASD兒童認識其他游戲同伴，學會“輪流”的游戲規則，并與同伴分享自己的樂趣與愉悅[16]。

3.2作為社會互動的中介 此干預方式中最典型的是三元交互模式，包括ASD兒童、機器人和同伴[25]。該模式的治療目標是將ASD兒童在干預過程中習得的社交技能運用到與同伴的交往中，當護理人員作為同伴參與三元交互時，社交機器人可引導ASD兒童與護理人員形成共同注意，從而快速建立雙方的情感聯系，協助護理工作推進[10]。

3.3作為社交行為代理模型 社交機器人可以為ASD兒童展示在特定情景下的社會交往行為，刺激兒童通過模仿學習和強化指定的社交技能。如機器人Probo可通過講述具有特定社交情景的小故事教授兒童在不同場景進行互動，包括何時說“你好”“謝謝”，同時社交機器人還能通過面部表情和眼神表達情緒，幫助ASD兒童理解和學習社會交往行為[21]。

4 社交機器人在ASD兒童照護中的應用效果

4.1提高眼神接觸與引起共同注意 眼神接觸是一項基本的社交技能，兒童可通過眼神接觸向外界表達對物體的興趣，并通過眼神的交換產生與外界的共同注意[26]。ASD兒童常因缺乏眼神接觸而難以產生共同注意，從而喪失學會社會互動的先決條件。社交機器人可作為媒介引發ASD兒童與他人的眼神接觸，促進產生共同注意[27]。Yun等[18]選取韓國15名ASD兒童，隨機將其中8名分為實驗組(機器人iRobiQ和CARO參與干預訓練過程)，7名分為對照組(2名護理人員參與干預訓練過程)，對他們進行社交能力干預訓練，發現實驗組ASD兒童眼神接觸頻率顯著增加，且優于對照組。Simut等[28]研究ASD兒童與Probo機器人一起制作水果沙拉，對照組與人類同伴一起制作，結果顯示實驗組ASD兒童與Probo產生了更多的眼神接觸。Kumazaki等[14]將30名ASD兒童與38名正常兒童隨機分配到干預組和對照組，機器人干預組中，兒童與“人類A”“CommU面聊機器人”進行交互，對照組與“人類A”“人類B”進行交互，結果顯示干預組ASD兒童在與CommU的交互中共同注意得分提高了0.69，對照組ASD兒童的共同注意得分降低了0.25，差異有統計學意義，表明機器人干預成功改善了ASD兒童的共同注意。Boccanfuso等[29]設計了一種“帽子游戲”對3名ASD兒童進行了為期6個月的社交能力干預，游戲過程中，ASD兒童在提示下為機器人Charlie戴上帽子，并問：“Charlie，你喜歡戴帽子么？”機器人可通過回答引起孩子的注意并鼓勵他們繼續游戲，游戲通過輪流的模式，引導ASD兒童與同伴進行游戲互動，干預結束后，3名ASD兒童共同注意平均增長了98.3%，其中1名ASD兒童在干預后主動與父母進行“帽子游戲”，且3名ASD兒童在干預過程中發出請求和社交互動的頻率顯著提高。總之，ASD兒童與社交機器人的交互過程可改善眼神接觸并形成共同注意，促進ASD兒童主動發出社交行為。

4.2通過模仿學習強化新技能 模仿是學習社交行為的有效途徑[26]，也是重要的社交技巧，但ASD兒童具有嚴重的模仿障礙，難以通過模仿自學社交技能。社交機器人可以激發ASD兒童的模仿沖動，誘導兒童的自發模仿行為，幫助他們學習強化新技能。Zheng等[30]提出了一種針對ASD兒童的機器人介導的模仿技能培訓架構(包括Nao機器人、用于姿勢識別的攝像機、用于評估模仿姿勢的姿勢識別算法和反饋機制)，對4名ASD兒童和6名正常兒童進行實驗，每組都選用機器人和人類治療師展示一套手臂動作(包括舉起一只手、揮動、舉起雙手、手臂向側面伸出)，結果顯示ASD兒童關注機器人的時間比人類治療師多11%，且ASD兒童模仿機器人的得分高于人類治療師。此外，在康復過程中，護理人員還可通過更換機器人的衣服使它扮演不同的角色，并為ASD兒童展示不同的社交行為，如打招呼、向警察問路等，以便兒童能夠從實際生活中理解并模仿不同環境下的適當行為[27]。

4.3提高面部情緒識別能力 面部情緒識別在社交過程中起著至關重要的作用，是社交能力整體發展的良好指標。ASD兒童難以識別面部表情和理解他人的情緒狀態[31]。Yun等[18]設置了一種面部情緒識別任務，ASD兒童需說出機器人呈現的面部表情中蘊含的情緒，結果顯示，ASD兒童面部情緒識別的準確性從第1次到第4次顯著增加。Anamaria等[32]利用機器人Probo研究了3名ASD兒童基于情景的情緒識別能力，A階段兒童在機器人未展現面部表情的情況下被治療師提問特定情景下Probo應具有的情緒；B階段在機器人展現愉快或悲傷的情緒下回答上述問題，結果顯示，ASD兒童正確識別情緒的數量由A階段的16～19個增加為B階段的33～35個。上述兩項實驗共同表明，社交機器人有助于提升ASD兒童的面部情緒識別能力。

4.4主動發起社交行為 主動發起互動是ASD兒童最為缺乏的一項技能。Boccanfuso等[29]的研究發現，3名ASD兒童與社交機器人交流后的自發語言平均增加了35.3%，2名兒童的平均會話長度有所增加，1名兒童雖未表現出自發語言的增加，但產生自發語言的前提-模仿和共同注意均有顯著提升。Vanderborght等[21]的研究中，4名ASD兒童在機器人Probo模擬社交場景后，僅需較少的外界提示便可主動發起互動，且其中1名兒童不需提示即可完成任務。實驗顯示，ASD兒童不僅針對機器人的社交行為增加，而且對同伴主動發起了更多的言語行為及共同關注[19，28]。此外，社交機器人能夠在游戲中幫助ASD兒童培養輪流的觀念，意識到社交互動中同伴的存在，并教會他們在說話做事前后等待同伴的回應，例如孩子將球踢向機器人后要等待機器人將球踢回[10]。上述社交機器人介導的干預均有助于ASD兒童學會主動發起社交行為。

4.5減少護理人員的工作量 ASD兒童的社交技能培訓需要花費大量的時間和重復性工作，社交機器人介導的干預模式可以作為一種輔助手段來減輕護理人員的工作負擔。社交機器人的行為干預對改善ASD兒童眼神接觸[28]、共同注意[14]和面部情緒識別的效果均優于護理人員，這表明機器人是ASD兒童社交技能訓練的良好引導者。國內一項研究顯示，ASD兒童在機器人介導的干預模式下雖對共同注意的目標物體關注不足，但對機器人有著更高的注意，故社交機器人可以代替護理人員引導兒童進行注意力的過渡以形成共同注意[33]。ASD的高異質性決定了護理人員需要對兒童制定獨特的干預計劃以滿足其特定的治療需求，此過程耗時耗力，但機器人可根據ASD兒童特點設置不同的社交場景及任務，定制個性化干預方案，對不同個體進行特殊照護，并進行重復訓練強化技能[34]。社交機器人主導的康復訓練不僅滿足了ASD兒童干預治療的個性化及強化訓練的需求，也避免了護理人員的大量重復性工作，減少了護理人員的工作量。

5 小結

社交機器人作為人工智能背景下的產物，易引起ASD兒童和護理人員的興趣，能夠提高ASD兒童的社交能力，具有安全性高、易于操作、針對性強、節約人力等優點。但目前社交機器人在ASD兒童照護中的應用仍存在一些問題，如ASD兒童在參與機器人介導的護理干預中，其社交能力提升的良好效果可能與機器人對兒童產生的新刺激有關，而干預效果能否遷移至ASD兒童的日常生活仍有待研究。Zheng等[30]發現，ASD兒童在干預訓練過程中表現出眼神接觸頻率增加而后急劇減少的變化趨勢，最初的急劇增加可能只是對新鮮刺激的反應。Huijnen等[27]提出，ASD兒童可能會依賴某些護理人員，若以社交機器人作為治療師，需要關注ASD兒童是否會對社交機器人產生依賴。當前社交機器人干預尚缺乏規范化指南，參與的實驗往往只涉及案例研究，干預時間較短，缺少大規模的縱向研究及評估標準，未來的干預需要大樣本的隨機對照試驗以評估不同類型的社交機器人對ASD兒童社交能力改善的效果，為臨床實踐提供參考。我國在ASD兒童中應用社交機器人的研究罕見報道，在國內ASD兒童照護領域中實施社交機器人干預不僅為ASD兒童及其照顧者帶來益處，也能促進多學科的交叉融合發展。