前沿速递丨社交辅助机器人的不同外观是否会对自闭症ASD儿童的新型医疗干预工具

简介

社会辅助机器人技术（SAR）作为对自闭症谱系障碍（ASD）儿童的新型医疗干预工具，一直受到广泛关注（Cabibihan et al., 2013; Kumazaki et al., 2020）。当前已经被开发出一些SAR功能，来改善和促进ASD儿童的社交能力（Boucenna et al., 2014）。例如共同注意、面部情绪识别、语言和非语言交际，以及增加自发交互等。即使有证据表明SAR对ASD的治疗有一定功效，但是到底哪种交互形式和哪种机器人外观更有治疗效果，人们仍然没有达成共识（Feil-Seifer and Matarić, 2009; Costescu et al., 2014; Kumazaki et al., 2020）。

在文献中可以发现SAR被广泛的应用（Argall and Billard，2010）。然而，大多数用于ASD治疗的机器人都是现成的机器人，并不是专门为治疗和干预ASD而设计的（Vallès-Peris et al.，2018；Randall et al.，2019）。人们已经开始设计（PD）和探索一些更有适应性和功能性的SAR（Bartneck et al.，2020）。作者的研究的是在哥伦比亚的文化背景下进行的，这项工作的主要内容：(i) 设计和评估SAR的多种物理外观。(ii)在哥伦比亚文化背景下对柔性软体（ Compliant Soft Robotics，CASTOR）社交机器人的评估研究，以及哥伦比亚人对于机器人干预的偏好。

背景

为ASD儿童设计的机器人应确保其外观友好、俏皮、易接近，并且在儿童与机器人的互动中是安全的（Koch et al.，2017）。此外，由于SAR旨在促进ASD患者社交技能完善，机器人的外观应该拟人化，或 "与人类相似 "（Ricks and Colton，2010；Scassellati et al.，2012）。

所有参与者都认为机器人的可以由彩灯、不同的质地的塑料或布料组成，可以刺激测试儿童的其他感官。也有参与者认为，声音、手臂的动作和面部表情（如嘴巴、眼睛和眉毛的动作）对于改善儿童与机器人的互动至关重要。此外，还建议机器人可以在按钮和屏幕、不同的衣服以及面部、上肢、麦克风和扬声器上进行设计，以便与儿童进行多模态交流和互动（Ramírez-Duque et al.，2020）。

材料和方法

这项工作旨在实现两个目标：（1）确定和收集初步信息，以便建立ASD对儿童最有吸引力的外观；（2）验证儿童对机器人外观和功能的接受程度。

在这种情况下，本节分为两个主要部分，第一部分描述了CASTOR的PD过程的最后阶段，第二部分描述了CASTOR在情感模仿和识别任务中的外观验证的实验方案。

第一部分：

参与式设计过程CASTOR的外观设计：

最初的一组草图旨在为机器人的外观提供多种想法。这些草图分为五类：（1）卡通人物；（2）传统机器人；（3）未来主义人物；（4）类似动物的外观；（5）怪物/幻想人物。第二步，(i)外观评估，(ii)儿童参与式选择（如图）。

i. 外观评估：这一阶段的目的是确定哪些草图是更吸引人的。我们提出了一个有六个标准的评估矩阵（如下表所示）。52名志愿者参与了这个过程，包括ASD儿童的照顾人、父母和感兴趣的人。患有ASD的儿童不包括在这第一步中。每位参与者都被要求对评价矩阵中的每项要求打出1到5分。为此，每个参与者都收到了从1到50的所有草图（如图），每个插图的分数是其得分的平均数。从这些结果中，挑选出9张得分最高的草图用于下一阶段（如图）。

表 草图评价矩阵

ii. 儿童参与选择。这个阶段试获得三个结果（如图）。19名患有ASD的儿童参加了选择。

这个阶段由两个部分组成。首先准备了九张同样大小的卡片，卡片上面是上一阶段已经选择的九张草图。第一个部分，治疗师在让儿童短的时间观察不同的卡片后，要求他们选择他们最喜欢的卡片，一旦他们选择了一个卡片，这张卡片就会从桌子上移开，这个动作会连续重复，直到做出一个卡片排名。

第二部分是将形容词与卡片配对。卡片再次被放置在孩子们面前，并展示了另一套带有不同形容词的卡片。这套卡片由六张卡片组成，上面的形容词是：可爱、丑陋、英雄、恶棍、友好和恐惧。治疗师邀请孩子们将每张素描与形容词相匹配，寻找他们对每个草图可能产生的任何联想或感觉。

图 CASTOR外观的选择过程。最初的机器人外观包括50张草图，这些草图是与相关人员共同参与进行筛选的。(A) 外观草图。(B)儿童参与性选择。(C)外观选择结果。

最后，产生了三幅草图。在这种情况下，本研究的第二个目的是要验证这些外观和CASTOR的功能。

第二部分：CASTOR验证的实验方案

作者在CASTOR上制作了三个不同的外观。并且邀请三个小组来分别评估每一种外观，三个小组分别是神奇组，机器人组，和人类组。

实验过程：

孩子们对每项活动——即模仿和识别机器人表情有三次机会。如果孩子们在第一次尝试时就成功完成任务，他们就会得到3分。如果需要一次以上的尝试，则减少1分，直到完成所有三次尝试，再将其分数相加。有必要强调：（i）孩子们不知道这个评分系统；（ii）没有孩子以前见过机器人；（iii）CASTOR的外观在同一小组内没有变化。

在第一个阶段，孩子们只与治疗师进行对话。首先，孩子们被指导使用四张卡片识别四种原始情绪（即恐惧、快乐、悲伤和愤怒）（如图）。然后，孩子们被要求模仿卡片上的情绪。

图 研究第一阶段使用的基本情绪卡。治疗师要求参与者识别卡片上显示的情绪。

接下来一个阶段考虑到患有ASD的儿童可能难以接受他们日常生活环境的变化（Hill and Frith, 2003）。因此，我们向儿童介绍机器人并使机器人融入他们的环境。使孩子们能够自由探索机器人，为孩子们提供安全和信心。

之后，开始下一阶段实验。在这个阶段平均实验时间为12分钟，CASTOR陪同治疗师完成任务。机器人开始表演之前提到的四种原始情绪（如图），治疗师要求孩子们识别它们。一旦完成了这四种情绪的识别，机器人又开始表演这四种情绪中的一种，这时，治疗师会要求孩子们模仿机器人所表现的情绪。

图 CASTOR的面部情绪表达。机器人是在第三阶段引入的，治疗师要求孩子们识别和模仿机器人的情绪。

面部追踪系统测量变量

CASTOR上设置人脸追踪系统，两个RGB-深度传感器（Kinect 2，微软）被用来获取儿童和机器人的信息。我们使用了一个包含多个模块的处理通道：(1）两个卷积神经网络用于人脸检测和识别（2）一个局部条件神经场统计模型，用于头部姿势和眼睛对视的评估（Ramírez-Duque等人，2019）。总的来说，从这个系统中获得了两个衡量标准：(1)测量儿童与治疗师进行目光接触的时间(2) 测量衡量患者在治疗过程中看着机器人的时间。

结果

下表总结了每组参与者（即对照组和干预组）、每种外观类型（即神奇、机器人和人类）和每种情绪（即快乐、悲伤、愤怒和恐惧）的平均表现得分。

表 儿童在情绪识别和模仿任务下的表现得分（平均值±中位数）。

以同样的方式，下表显示了Kruskal-Wallis测试获得的统计数据。这些测试比较了同一小组在识别和模仿中所有出场者的表现得分。下表描述了获得的P值、H-cores。没有发现统计学上的显著差异。

表 同组（即干预组和对照组）和实验（即识别和模仿）下的外观比较的Kruskal-Wallis检验结果。

同样，下表显示了Wilcoxon检验的统计结果。具体来说，这些测试比较了：（i）同一组别下的实验之间的所有情绪；（ii）同一任务下组别之间的所有情绪。表4描述了获得的P值、Z-cores。

表 Wilcoxon检验的统计结果

鉴于前面的结果，同一情绪类型的得分被放在一起分析，而不考虑组别或实验类型。因此，进行了弗里德曼检验来比较四种情绪之间的总分。结果显示，在P<0.05的情况下，各情绪之间存在明显差异（P值=0.003，χ2=13.429，df=3）。

表 使用Bonferroni对情绪进行事后比较

下图显示了社交机器人CASTOR上四种情绪的模仿和识别过程中的得分差异。情绪之间的显著差异用星号表示。下图参与者在情绪识别之间的平均得分比较。P < 0.001；P < 0.01；P < 0.05

儿童的注意力评估

评估孩子们的注意力，以确定最吸引人的CASTOR的外观和治疗期间机器人的存在的可接受性。下图显示了在试验中（即控制和干预），三个外观在在治疗期间得到的儿童平均注意力百分比。

图 三种CASTOR对儿童注意力吸引时长百分比的平均值。T代表对治疗师的注意时间，R代表对CASTOR的注意时间。星号表示显著差异。

关于研究结果，参与研究的儿童在识别复杂情绪（如恐惧和愤怒）时感到困惑。相比之下，对于简单的情绪（即悲伤和快乐）的识别表现出色。结果还显示，第一阶段孩子们看CASTOR的次数比治疗师多。然而，在第二个实验中，儿童都把大部分注意力放在治疗师身上，这是向成人的寻求帮助的行为。此外，治疗师在过程中发挥了重要作用，他们帮助儿童建立了和机器人之间的信任。换句话说，治疗师积极参与以及儿童、治疗师和机器人之间的关系对于确保干预治疗的成功至关重要。

在外观方面，最吸引儿童注意的是机器人的外观，这背后的原因还有待进一步研究探讨。围绕这一主题的假设是，儿童更喜欢具有更多美感的角色或更权威的外表。另一方面，必须指出的是，无论CASTOR的外观如何，孩子在CASTOR面前都感到安全、平静和舒适。此外，一些孩子还降低了焦虑等级。

这个结果为继续研究使用SAR来促进ASD儿童的社交能力提供了经验支持。此外，未来的工作将涉及互动探索，以收集儿童和CASTOR机器人外观之间的触觉信息。同样，CASTOR的功能将有更复杂的行为模式，如身体运动和本体感觉意识。

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作者：孟北生

排版：大大怪