機器人輔助治療在孤獨癥譜系障礙兒童中的應用研究進展

王志丹，王 暢

江蘇師范大學，江蘇 221116

孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder,ASD)是一系列復雜的神經發展障礙性疾病，又稱孤獨癥或自閉癥，主要表現為言語溝通和社會交往困難、重復刻板行為和興趣狹窄[1]。目前，孤獨癥在全球范圍內的發病率為1%～2%，且發病率呈逐年遞增的趨勢[2]。社會交往能力差是孤獨癥病人的核心癥狀之一，具體表現為目光對視差、眼神交流少、呼名反應差、情緒易失控、不能夠適應具體環境、缺乏社交興趣等[3]。機器人技術的發展將人類帶入了智能時代，也為孤獨癥病人的康復提供了新的可能性[4]。機器人憑借自身逼真的三維人體動作和多感官設計功能，吸引孤獨癥兒童的注意并靈活地與他們開展游戲互動，輔助治療師開展康復計劃。本研究通過綜述目前機器人輔助治療在孤獨癥兒童聯合注意、模仿、情緒識別與表達及人際交往中的應用效果，旨在為孤獨癥病人的康復提供借鑒。

1 孤獨癥社交干預中常用的機器人類型

機器人輔助治療是一種新興的治療方法，是指在醫療、護理及康復領域中使用相應的機器人來輔助醫護人員或治療師實現治療或康復目標[5]，具有高重復性、高強度、任務導向及可量化的特點[6]。根據外形特點可以將常用的康復機器人分為人形機器人和非人形機器人兩類。人形機器人主要有Kaspar、Zeno、QT 和Nao 等。Kaspar 面部為硅膠材質，每只眼睛都配有一個攝像頭，觸覺傳感器安裝在面部、胸部、足部和手臂上。使用這些傳感器，可以研究兒童與Kaspar 之間的觸摸交互作用。Zeno 高約50 cm，因其面部皮膚在物理性質上與人體組織極為相似，使得它的面部表情十分逼真。QT 高約63 cm，有一個安裝在其前額的Real Sense 3D 攝像機和一個麥克風陣列，可通過平板電腦和智能手機的Android 應用程序控制，具有極富有表現力的社交外觀，屏幕面孔可以展示動畫表情。Nao 高58 cm，有25 個自由度，配備的4 個麥克風及兩個攝像頭可以記錄每個參與者的相關數據，包括注意力集中的持續時間和概率及面部表情的變化。非人形機器人主要有Keepon 和Pekoppa 等。Keepon 的兩個眼睛是攝像頭，一個麥克風隱藏在鼻子內，對音樂很敏感，可以跟著音樂有節奏地跳舞，可以對肢體觸摸及時做出適當的回應，還有很強的模仿能力。Pekoppa 的形狀像一種雙葉植物，內置一種可以檢測到人說話的芯片，還有一種可以彎曲的“生物金屬”，當檢測到說話聲時，這種“生物金屬”就會彎曲變形以示回應。

2 機器人輔助治療的應用

2.1 聯合注意 指個體的目光追隨另一個體，兩個個體在同一時間注意同一個物體的過程[7]。聯合注意的發展是個體認知發展和社會發展的重要基礎。孤獨癥病人聯合注意受損會導致其語言表達與理解能力滯后，模仿和社會理解等社交能力下降[8]。Kumazaki 等[9]選取30 例孤獨癥兒童開展聯合注意干預的隨機對照試驗，整個實驗包括3 個階段，每個階段互動5 min，共15 min；干預組15 例病人先與第1 位實驗人員互動，在第2 階段與機器人Commu 互動，最后再與第1 位實驗人員互動；對照組15 例病人先與第1 位實驗人員互動，再與第2 位實驗人員互動，最后再與第1 位實驗人員互動；結果發現，干預組在第2 階段與機器人互動后，在第3 階段與人互動時的聯合注意較對照組明顯提高，許多孤獨癥病人表現出持續與機器人互動的動機，這是促進聯合注意的重要因素。Zheng 等[10]設計了一種以機器人為介導的聯合注意干預系統，將該系統應用于14 例孤獨癥病人護理中；干預內容包括4 部分康復課程，每部分重復訓練8次，27 d后所有病人都完成了課程訓練；結果表明，在整個康復過程中，病人的聯合注意技能得到了顯著提高，他們能夠保持對機器人的興趣，會花更多的時間注意機器人而非治療師。Scassellati等[11]探究了社交機器人Jibo 對孤獨癥病人社交技能的影響，12 例孤獨癥患兒每天在家與看護者和機器人Jibo進行30 min 的三元互動，在互動中Jibo 通過自身的顯示屏向病人展示不同情境下的注視行為，并嘗試將病人的注意引向看護者；30 d 后，在Jibo 不在場的情況下，病人和看護者之間的相互注視和經驗共享行為明顯增多，聯合注意技能得到顯著改善。總之，聯合注意能力的提高可以幫助孤獨癥病人更好地加工社會線索，促進經驗共享的情感傳遞，進而改善病人對外界人和物的認知。

2.2 模仿 模仿是人類最基本的一種社會學習能力，模仿缺陷被認為是孤獨癥病人社交能力低下的一個重要表現[12]。機器人具有高重復性和不易疲憊性，有研究指出，相較于人類而言，孤獨癥病人會給予機器人更多 的 關 注，表 現 得 更 加 主 動[13‐14]。Zheng 等[15]開 展 的 隨機對照試驗納入12 例孤獨癥兒童和10 名普通兒童，他們被隨機分配到機器人Nao 示范組和人類示范組；實驗任務包含抬起一只手、揮動一只手、抬起雙手、伸出雙臂4 個動作。為防止兒童失去模仿興趣，示范者要隨機示范其中一個動作，在整個過程中每個動作被示范10 次；結果發現，病人在機器人示范條件下的模仿得分高于人類示范條件下的得分，普通兒童在這兩組中的模仿表現差異不大，這表明在機器人示范條件下，孤獨癥兒童比普通兒童更能從中受益。Costa 等[16]也比較了機器人與治療師的模仿干預效果，他們選取15例孤獨癥病人作為研究對象，讓病人先與治療師開展模仿游戲，然后去另一個房間與機器人QT 做模仿游戲；結果顯示，兩次互動的模仿得分差異無統計學意義，但患兒會給予機器人更多的注意，且他們面對機器人時的重復或刻板行為比面對人時要少，這將會緩解重復刻板行為給病人帶來的不良影響，為他們提供更多的模仿學習機會。總之，模仿能力的提高可以發展孤獨癥病人的認知能力和動作能力，有利于獲取直接經驗并幫助他們形成一些好的習慣，而且模仿的前提是集中注意力，模仿技能的提高也反映了病人注意力的改善。

2.3 情緒識別與表達 兒童的情緒識別和表達能力直接影響他們的社交行為，情緒障礙是孤獨癥病人出現社交缺陷的一個重要因素[17‐18]，提高他們的情緒識別與表達能力能夠幫助他們更好地融入社會。Marino等[19]開展的一項隨機對照試驗選取孤獨癥病人14 例，對干預組7 例實施每周2 次、每次90 min，共10 次的機器人輔助認知行為治療，對照組7 例接受常規的認知行為治療；結果顯示，雖然干預組和對照組在情感識別、理解和換位思考等方面都取得了實質性的進步，但是干預組的康復效果比對照組更加顯著。Pop 等[20]將27 例孤獨癥病人分成兩組，干預組12例病人進行基于機器人Keepon 的認知行為療法(Robot‐enhanced therapy，RET)干預，對照組15 例僅進行常規認知行為療法(treatment as usual，TAU)干預，每組兒童都接受了6次、每周2 h 的康復訓練；結果表明，與TAU 相比，RET 能夠降低孤獨癥病人對消極社會事件所產生的消極情緒的強度，也能幫助孤獨癥病人更理性地思考如何表達自己的情緒。Soares 等[21]的研究顯示，相較于沒有機器人Zeno 在場的對照組病人而言，機器人Zeno 的介入可以讓干預組病人在情緒識別游戲中表現得更好。總之，機器人輔助治療幫助病人增強了情緒識別與表達能力，學會合理調節自己的情緒，豐富了情感體驗，從而增強了社會適應力，在社交中有更好的表現與發揮。

2.4 人際交往 人際交往是不同角色運用復雜的感性和認識過程，借助動態的語言和非語言交流，并根據動機和預期進行交流互動的一種活動[22]。孤獨癥病人由于神經結構存在異常，導致他們很難成為溝通交流的發起者，甚至無法進行基本的交往互動。Albo‐Canals等探究了機器人KIBO 參與康復課程對孤獨癥病人的影響，機器人KIBO 連續4 d 介入12 例病人的常規康復課程，充當病人的游戲伙伴，與病人合作完成康復任務；通過分析視頻數據和治療師訪談數據，發現病人增加了與治療師的社會互動，眼神注意增多，有時還會主動發起談話[23]。Karakosta 等的實驗以7 例孤獨癥病人為康復對象，進行了每周1 次或2 次、每次10～15 min、共10 周的機器人Kaspar 輔助治療，在此期間還對病人的治療師進行了6 次訪談；分析數據后發現Kaspar 對病人的溝通、互動、模仿、自發講話等行為都產生了積極影響，而且治療師也反映病人的溝通互動技能明顯改善[24]。David 等針對輪流說話技能對比了機器人輔助治療和治療師治療的干預效果，11 例孤獨癥病人接受8 個機器人強化療程和8 個人類強化療程，結果表明，大多數病人在這兩個療程中的受益程度相似，但病人反映他們更喜歡機器人伙伴[25]。這種輪流說話和傾聽的動態行為是在雙方良好互動作用下產生的，掌握輪流轉換技巧有助于獲得更好的交際效果。其他研究結果也表明，機器人輔助治療有利于誘發病人、成人、機器人之間的三元互動，病人還能從機器人那里學到交往技能，并將這種技能遷移到人與人之間的互動中[26‐27]。總之，機器人輔助治療使孤獨癥兒童逐漸參與到與環境、他人的互動、合作，益于自身人格的健全和身心健康，以便更好地融入社會生活。

3 小結與展望

目前，機器人技術在孤獨癥病人康復方面已經取得了積極的效果，越來越多孤獨癥研究領域的相關人員表達了他們對于這種新的有潛力的輔助治療工具的應用熱情。隨著科技的進步，這些潛能會被充分地利用，給孤獨癥病人帶來更多的益處。 孤獨癥病人存在年齡差異和個體差異，他們對機器人外形可能存在個人偏好，要求研究者在設計機器人的過程中進行適當調整適應個性化的需求，以期能夠最大限度地實現以病人為中心，充分地吸引孤獨癥病人的注意力和興趣。機器人的功能和自動化程度取決于現代科技研發人員的科研水平，隨著技術的發展，未來研究者能夠繼續為孤獨癥病人開發出更多類型的機器人，像高級的“情感識別”機器人，為孤獨癥病人提供質量更高的人機互動。在此過程中孤獨癥康復領域的研究人員、治療人員和機器人技術領域的開發人員要加強彼此間的交流，發揮研發合力，共同為孤獨癥病人創造有價值、成體系的干預措施和評估系統。機器人技術在孤獨癥干預領域的研究還有很大的發展空間，研究人員的聚焦點為社交領域的干預，其他領域的探索相對較少和不成熟。如運動能力、刻板行為、感官知覺等。近年來，研究者已經開始嘗試將機器人技術與其他技術相融合，如虛擬現實技術，已經取得了初步的成果。越來越多的新領域等待著被探索，機器人技術應用的一些未知潛力也逐漸顯現。對新領域的探索能夠豐富對該領域的理論和實踐知識，驗證機器人技術是否能夠幫助治療師實現更多的理想目標，從而提升機器人技術的應用范圍。干預效果的維持和習得技能在現實生活中的應用是機器人技術應用領域的難點，應該對基于機器人的干預進行短期觀察和長期行為評估。具體而言，在很長一段時間內定期實施機器人與孤獨癥病人之間的人機交互。在交互前、交互期間和交互后對孤獨癥病人的行為與機器人的行為響應進行評估，同時也要基于每次人機交互中獲得的反饋以及他們的父母或監護人在家里的反饋來形成月度報告。根據綜合的評估報告使機器人干預對孤獨癥兒童的受益最大化。