兒童智能玩具的交互模型研究

展延蕊，張 昆

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著人工智能技術的不斷發展，智能玩具市場迅速膨脹，越來越多的智能玩具走進了兒童的生活中。然而智能玩具市場同質化嚴重且缺乏創造性，導致兒童使用過程中的體驗性較差[1]，不能很好地娛樂身心；另外，兒童在不同年齡階段其認知能力與運動能力也大有不同，很多智能玩具在玩耍中都不符合相應兒童的身心特點。因此，建立兒童智能玩具的交互系統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性化需求，讓智能玩具真正給兒童帶來快樂和知識。

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，是人類文化的根，是所有神話和宗教儀式的基礎，是藝術、文學、法律、商業、科學等所有文明力量的潛在推動力[2]。玩具是游戲的物質載體，毫無疑問，對兒童的成長發展起到重大作用。

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。智能玩具種類非常多，市面上常見的智能玩具種類主要有：陪伴對話機器人類（小優機器人、樂城機器人等）、動作類機器人類（會跳舞的阿爾法機器人等）、平板類（菲比精靈、小熊尼奧的AR卡片等）、故事機與學習機類（鐵皮人科技的小雞叫叫等）以及STEM類編程機器人類（樂高頭腦風暴等）。智能玩具不僅擁有考究的外觀，同時擁有多種應用功能，像人一樣靈活可溝通。智能玩具簡單地說就是將人工智能技術運用到玩具中供兒童游戲的工具，幫助兒童將想象和思維轉化成行為，促進兒童認知以及運動能力的發展，在兒童成長過程中起到了寓教于樂的作用。

所謂智能即系統有以下三點功能：①學習功能。類似人的學習過程，系統對一個過程或未知環境所提供的信息進行識別、記憶、學習并利用積累的經驗進一步改善系統的功能；②適應功能。這種適應能力不僅僅包括對輸入輸出自適應估計，還包括故障情況下自修復等；③組織功能。對于復雜任務和分布的傳感信息，系統具有主動且靈活的自組織和協調功能[3]。

2 兒童智能玩具的交互模型構建

交互是指以輸入輸出裝置為媒介，數字系統和用戶之間發生的信息交換過程[4]。兒童與智能玩具的交互中存在一個相互作用的“面”，稱為用戶界面（User Interface）[5]，人機之間的信息交流和控制活動都發生在這個界面上，處理好智能玩具軟硬件與兒童的關系對交互的成功至關重要。兒童與智能玩具之間的交互就是人機信息傳遞，從信息論的基本觀點來看，這種反應過程就是信息在兒童和智能玩具內的流動過程。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分析

3.1 兒童信息處理系統

兒童對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知行為和動作行為兩個部分。認知行為是指兒童對智能玩具在某一時刻狀態的識別、理解、分析，經過判斷并發出指令的行為；動作行為是指肌體各運動器官執行指令的行為[6]。

有關智能玩具狀態的信息，通過輸出設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、優點和適應能力，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]。兒童的各個感覺通道以及識別的外界信息特征詳見表1。

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

刺激信息隨后進入機體神經系統，其中最重要的部分就是中樞神經系統，它由腦和脊髓構成，是接受外界刺激并發出指令的指揮中心，是肌體的決策機構。傳入神經纖維負責接受刺激，一些刺激經過神經中樞加工后傳出指令給反應器官，而有些反應不需要經過中樞神經系統，其通過周圍神經系統直接傳出給運動器官。肌體存在復雜的反應器官，由肌肉、腺體完成反應動作，通過肢體動作、發聲器官、面部肌肉、眼部動作等形式表現出來，詳見圖2。

決策是指對刺激信息的處理和加工過程。當代認知心理學認為，人腦是一個信息加工系統，當人處于清醒狀態時就會不斷地加工處理來自外部環境的信息刺激，該系統主要由以下幾個部分組成，分別是感受器、感覺登記、模式識別、短時記憶和長時記憶。兒童通過感覺通道接受來自外界的信息，經過大腦的加工，決策，然后作出反應。兒童信息加工系統如圖3所示。

圖2 刺激與行為反應系統Fig.2 System of stimulus and behavioral responses

圖3 兒童信息加工系統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換為生物電能后進入人腦內以作進一步的加工處理，首先通過感覺登記以短暫保留接收到的信息，然后通過模式識別，刺激信息被傳遞到短時記憶系統。模式識別介于感覺登記和短時記憶之間，匹配大腦內部的感覺信息與先前掌握的存儲在長時記憶系統中的信息。短時記憶通過向長時記憶復述某種信息形式如意義、形狀、使圖像、聲音等得以在長時記憶系統加工存儲[8]。感覺刺激、決策以及反應這三個階段都離不開注意，它是極其重要的認知要素。其功能主要是是對外界信息進行篩選、過濾，幫助大腦選擇需要的信息，并進行加工。注意雖然能夠在同一時間同時分配給多種活動，但注意的資源量是有限的，必須在各個階段合理分配注意，這樣才能提高信息處理的效率。另外，記憶系統在兒童信息加工系統中至關重要，記憶是人們學習的基礎，分為感覺記憶、短時記憶和長時記憶。其中較為重要的是短時記憶和長時記憶。短時記憶即工作記憶，是人在及時環境中操作性的記憶，是通往長時記憶的過渡階段，其特點為：①保持時間短；②記憶容量小。長時記憶是信息經過感覺器官進入大腦，變成記憶長期甚至永久儲存下來（被意識到、被注意到的信息），并且在將來某個時間點能夠再次被回憶起來，其特點為：①能長時間儲存、記憶；②記憶容量大，幾乎是無限的；③長期記憶相對模糊，可能突出某些情節、忽略其他；④長期記憶主觀性較強，受到情境和情緒影響[6]。

人的信息輸出通常表現為效應器官的運動，決策系統發出指令后，效應器官作出反應，其運動速度和準確度直接關系到人機系統的效率和可靠性。人的信息輸出主要表現為操作運動和言語。操作運動包括肢體動作、面部肌肉、眼部動作等控。其中肢體動作包括上肢、下肢、軀干以及頭部動作。上肢主要是手部動作，下肢主要是腳部動作，面部表情是由臉部肌肉的收縮運動引起的，致使眼睛、嘴巴、眉毛等面部特征發生形變[9]。言語是信息輸出的又一基本形式，是從內部表象轉換為外部語言的過程，主要是控制喉部的肌肉來調節聲音的音強、音長、音色和音調，其形式簡單方便且實用。這些信息輸出與兒童認知能力（感知覺、語言、記憶、注意、思維、情感等）與運動能力（精細動作與大動作）息息相關。

3.2 智能玩具的信息處理系統

信息通過運動和言語輸出的形式經智能玩具的輸入設備進入智能玩具的傳感器。傳感器是一種能將化學量和物理量轉變成電信號的器件，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部傳感器和外部傳感器，內部傳感器主要用來檢測各內部系統的狀態，如位置、速度、加速度、溫度、電機速度、電機載荷、電池電壓等，并將所測得的信息作為反饋信息送至智能控制器，形成閉環的控制系統。外部傳感器用于感知兒童以及周圍環境信息，是智能玩具與外界進行交互獲取信息的通道，它可以識別距離、接近程度和接觸程度等變量，便于智能玩具進行物體識別和處理。智能玩具的外部傳感器是衡量一個智能玩具是否足夠“智能”的關鍵。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行分析，智能玩具像人一樣擁有視覺，能辨識物體、測量并且判斷以及實現定位等。視覺傳感器優點十分顯著，在智能玩具中運用多個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，其作用相當于一個話筒，能夠接收聲波，顯示聲音的振動圖象。聲波傳感器可以檢測聲波存在、分析聲波頻率以及對連續自然語言中單獨語音和詞匯進行辨別。

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

（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、超大規模集成計算傳感器陣列，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識別物體形狀、位置，另一方面可以幫助觸覺系統識別物體的表面材質。其主要作用一是發現智能玩具周圍的障礙物，從而限制其活動范圍，二是在接觸對象物前得到必要信息，比如與物體的相對距離，相對傾角，以便為下一步動作，三是獲取物體表面各點間的距離，從而得到有關對象物表面形狀的信息。

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

（7）力覺傳感器能檢測智能玩具自身力與外部環境力之間相互作用力，常位于有著娃娃外形的智能玩具關節處，通過檢測彈性體變形來間接測量所受力。目前，六維力覺傳感器可實現全力信息的測量，因其主要安裝于腕關節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，平移速度和旋轉運動速度。但大多數情況下只能測旋轉速度。加速度傳感器一般由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成，能夠測量加速度，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、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。

經過傳感器，信息進入到智能控制器。智能控制器由六部分組成：智能信息處理識別、數據庫、智能規劃智能決策、認知學習、控制知識庫以及智能推理[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控制的因素輸入到控制器，智能控制器對這些信息進行分析、評價、處理并進行規劃決策，同時將信息存儲進數據庫和知識庫以便為認知學習提供素材。通過智能決策將指令發送給執行器，執行器接收指令并對智能玩具輸出設備施加控制。最后通過智能玩具的輸出設備進行信息表達，將智能玩具處理的電信號轉化成兒童易于感知的圖像、物理運動、聲音等等傳遞給兒童。與此同時，輸出設備的內部狀態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。

4 結束語

兒童的認知與運動能力隨著年齡的發展不斷增長，在每個年齡階段各有特點，智能玩具在設計時應當充分考慮不同年齡階段兒童的認知能力與運動能力，并且要考慮兒童的個體差異性，使智能玩具能真正發揮其促進兒童認知、創造與審美能力的作用，將寓教于樂落在實處。

[1]王會，鄧嶸.3歲-4歲兒童智能玩具體驗設計研究[J].中國包裝工業，2015（Z1）.

[2]顧振宇.交互設計原理與方法[M].清華大學出版社，2016.

[3]李士勇，李研.智能控制[M].清華大學出版社，2016.

[4]金振宇.人機交互：用戶體驗與創新的原理[M].清華大學出版社，2014.

[5]羅仕鑒，朱上上.用戶體驗與產品創新體驗[M].北京：機械工業出版社，2010.

[6]宮曉東，邊鵬.交互設計[M].合肥工業大學出版社，2016.

[7]丁玉蘭.人機工程學[M].北京理工大學出版社，2011.

[8]梁寧建.當代認知心理學[M].上海教育出版社，2014.

[9]李四達.交互設計概論[M].清華大學出版社，2009.