社交机器人在自闭症谱系障碍儿童照护中的应用进展

张议丹，赵晨静，赵明，朱庆华，辛晨阳，渠利霞

自闭症又称自闭症谱系障碍(Autism Spectrum Disorders，ASD)，是一种广泛性发展障碍，美国精神病学会《精神疾病诊断统计手册(第5版)》中将社会和(或)沟通障碍、狭隘兴趣与刻板行为列为ASD的核心症状[1]，社会沟通障碍是影响ASD儿童社交能力的主要因素。美国疾控中心2018年的统计资料表明，美国每59名儿童就有1名被诊断为ASD[2]。据2017年发布的《中国自闭症儿童发展报告》数据推算，我国0～6岁ASD儿童已超过100万，0～14岁儿童患病者达200余万，我国ASD患病率约为1%[3]。ASD儿童孤僻、刻板的社交行为不仅影响自身的成长生活，更使父母在抚养过程中产生巨大的心理压力，严重影响了照顾者的身心健康[4]。寻找提升ASD儿童社交能力的有效途径迫在眉睫。当前，人工智能在医疗行业广泛应用，社交机器人因新奇的外表和它展示的简单、可预测的社交情景吸引ASD儿童的注意，使其主动参与社交互动，有望为ASD儿童提供新的社交干预模式。此外，目前国内康复及护理人员的短缺成了ASD治疗和康复的主要挑战[5]。而社交机器人可通过编程满足不同个体的特定需求，辅助医护人员完成干预措施，缓解医护人员的压力。机器人技术已在ASD干预研究中大量应用[6-7]。因此，为了提高ASD儿童康复训练的有效性和治疗的特异性，并解决医护人员短缺问题，需要引入社交机器人作为ASD治疗和康复的辅助手段[5]。本文对社交机器人在ASD照护中的应用进行总结分析，旨在为提高ASD儿童的护理质量提供参考。

1 社交机器人的起源与发展

社交机器人是指以人类的社交模式运行和互动的机器人，旨在参与、娱乐和启发[8]。1976年，机器人首次被用于ASD儿童社交行为干预训练。1998年Dautenhahn[9]主持开展“南极光计划”，他认为机器人简化的外形设计更易引起ASD儿童的兴趣，发起的社交行为简单，易于接收并做出回应，因此可以改善ASD儿童的社交沟通能力。随后，研究者致力开发更加灵活、智能的机器人，如通过模仿、眼神接触、轮流、情绪识别和表达等途径与ASD儿童互动，训练他们的技能，从而引出特定、理想的行为，发展ASD儿童的社交相关能力[10]。

2 社交机器人的种类

2.1人形机器人 此类机器人中，Nao机器人和CommU“面聊”机器人可自主与ASD儿童进行对话。其中，Nao机器人是在ASD儿童照护中应用最广的人工智能社交机器人，由法国Aldebaran Robotics公司发明，高50 cm[11-13]，CommU“面聊”机器人由日本大阪大学工学研究科开发，高30 cm[14]，上述两种机器人均可通过清晰、发光的眼睛与ASD儿童产生共同注意。由Billard等[15]开发的娃娃机器人Robota和University of Herdfortshir设计开发的简易人形机器人KASPAR[16]主要通过移动肢体与儿童交流，Robota机器人可鼓励ASD儿童参与模仿互动游戏，KASPAR机器人可表现面部表情，并对儿童的触摸做出反应。Tito机器人高60 cm，它使用轮子移动，可以上下活动手臂和左右转动头部，还可通过预先录制的声音说话[17]。CARO和iRobiQ是由韩国开发的两种机器人，CARO通过眼球变化展示快乐、悲伤、惊讶和愤怒四种情绪，iRobiQ通过嘴的形状表达快乐、悲伤、惊讶和羞怯四种情绪，后者的肢体可以伴随播放的儿歌运动[18]。

2.2动物机器人 Pleo机器人是一种恐龙宠物玩具，RoboParrot机器人外形为鹦鹉，二者都能自主移动，并响应儿童的触摸和各种互动，且Pleo机器人还可以表现不同的情绪[19-20]。Probo机器人是58 cm高的绿色填充大象，由柔软的材料和毛皮制成，为ASD儿童提供安全和愉快的物理接触，它不仅可以通过展现面部表情，还可通过讲述具有社交情景的故事来帮助ASD儿童学习社会交往的技巧[21]。

2.3卡通玩具机器人 Keepon机器人高12 cm，主要通过移动头部与ASD儿童形成共同注意，还可以表达愉快、兴奋等情绪并伴随音乐舞蹈[12]。Charlie机器人是一个绿色的毛绒玩具，它能够通过移动两只手臂鼓励ASD儿童模仿它的行为或捕捉并模仿儿童的手部动作来引起他们的注意[22]。FACE机器人是一个高度仿真的人脸，可以展现六种基本情绪(快乐、悲伤、惊讶、愤怒、厌恶和恐惧)的面部细节，帮助ASD儿童识别不同表情并迁移至日常生活中[23]。

3 使用社交机器人进行干预的方式

3.1作为玩伴 游戏在培养儿童社交能力的过程中发挥着重要作用[24]。ASD儿童难以与其他儿童进行游戏活动，而社交机器人作为玩伴可以为ASD儿童提供安全、愉快的游戏环境，鼓励孩子无所畏惧地进行游戏互动[10]。社交机器人参与的游戏互动可分为个人游戏和团体游戏。个人游戏中社交机器人能够根据儿童的喜好和干预目标设计游戏环节，并为他们提供具有安全感的环境，以便引出理想的社交行为；而团体游戏营造的氛围更贴近日常生活，社交机器人可帮助ASD儿童认识其他游戏同伴，学会“轮流”的游戏规则，并与同伴分享自己的乐趣与愉悦[16]。

3.2作为社会互动的中介 此干预方式中最典型的是三元交互模式，包括ASD儿童、机器人和同伴[25]。该模式的治疗目标是将ASD儿童在干预过程中习得的社交技能运用到与同伴的交往中，当护理人员作为同伴参与三元交互时，社交机器人可引导ASD儿童与护理人员形成共同注意，从而快速建立双方的情感联系，协助护理工作推进[10]。

3.3作为社交行为代理模型 社交机器人可以为ASD儿童展示在特定情景下的社会交往行为，刺激儿童通过模仿学习和强化指定的社交技能。如机器人Probo可通过讲述具有特定社交情景的小故事教授儿童在不同场景进行互动，包括何时说“你好”“谢谢”，同时社交机器人还能通过面部表情和眼神表达情绪，帮助ASD儿童理解和学习社会交往行为[21]。

4 社交机器人在ASD儿童照护中的应用效果

4.1提高眼神接触与引起共同注意 眼神接触是一项基本的社交技能，儿童可通过眼神接触向外界表达对物体的兴趣，并通过眼神的交换产生与外界的共同注意[26]。ASD儿童常因缺乏眼神接触而难以产生共同注意，从而丧失学会社会互动的先决条件。社交机器人可作为媒介引发ASD儿童与他人的眼神接触，促进产生共同注意[27]。Yun等[18]选取韩国15名ASD儿童，随机将其中8名分为实验组(机器人iRobiQ和CARO参与干预训练过程)，7名分为对照组(2名护理人员参与干预训练过程)，对他们进行社交能力干预训练，发现实验组ASD儿童眼神接触频率显著增加，且优于对照组。Simut等[28]研究ASD儿童与Probo机器人一起制作水果沙拉，对照组与人类同伴一起制作，结果显示实验组ASD儿童与Probo产生了更多的眼神接触。Kumazaki等[14]将30名ASD儿童与38名正常儿童随机分配到干预组和对照组，机器人干预组中，儿童与“人类A”“CommU面聊机器人”进行交互，对照组与“人类A”“人类B”进行交互，结果显示干预组ASD儿童在与CommU的交互中共同注意得分提高了0.69，对照组ASD儿童的共同注意得分降低了0.25，差异有统计学意义，表明机器人干预成功改善了ASD儿童的共同注意。Boccanfuso等[29]设计了一种“帽子游戏”对3名ASD儿童进行了为期6个月的社交能力干预，游戏过程中，ASD儿童在提示下为机器人Charlie戴上帽子，并问：“Charlie，你喜欢戴帽子么？”机器人可通过回答引起孩子的注意并鼓励他们继续游戏，游戏通过轮流的模式，引导ASD儿童与同伴进行游戏互动，干预结束后，3名ASD儿童共同注意平均增长了98.3%，其中1名ASD儿童在干预后主动与父母进行“帽子游戏”，且3名ASD儿童在干预过程中发出请求和社交互动的频率显著提高。总之，ASD儿童与社交机器人的交互过程可改善眼神接触并形成共同注意，促进ASD儿童主动发出社交行为。

4.2通过模仿学习强化新技能 模仿是学习社交行为的有效途径[26]，也是重要的社交技巧，但ASD儿童具有严重的模仿障碍，难以通过模仿自学社交技能。社交机器人可以激发ASD儿童的模仿冲动，诱导儿童的自发模仿行为，帮助他们学习强化新技能。Zheng等[30]提出了一种针对ASD儿童的机器人介导的模仿技能培训架构(包括Nao机器人、用于姿势识别的摄像机、用于评估模仿姿势的姿势识别算法和反馈机制)，对4名ASD儿童和6名正常儿童进行实验，每组都选用机器人和人类治疗师展示一套手臂动作(包括举起一只手、挥动、举起双手、手臂向侧面伸出)，结果显示ASD儿童关注机器人的时间比人类治疗师多11%，且ASD儿童模仿机器人的得分高于人类治疗师。此外，在康复过程中，护理人员还可通过更换机器人的衣服使它扮演不同的角色，并为ASD儿童展示不同的社交行为，如打招呼、向警察问路等，以便儿童能够从实际生活中理解并模仿不同环境下的适当行为[27]。

4.3提高面部情绪识别能力 面部情绪识别在社交过程中起着至关重要的作用，是社交能力整体发展的良好指标。ASD儿童难以识别面部表情和理解他人的情绪状态[31]。Yun等[18]设置了一种面部情绪识别任务，ASD儿童需说出机器人呈现的面部表情中蕴含的情绪，结果显示，ASD儿童面部情绪识别的准确性从第1次到第4次显著增加。Anamaria等[32]利用机器人Probo研究了3名ASD儿童基于情景的情绪识别能力，A阶段儿童在机器人未展现面部表情的情况下被治疗师提问特定情景下Probo应具有的情绪；B阶段在机器人展现愉快或悲伤的情绪下回答上述问题，结果显示，ASD儿童正确识别情绪的数量由A阶段的16～19个增加为B阶段的33～35个。上述两项实验共同表明，社交机器人有助于提升ASD儿童的面部情绪识别能力。

4.4主动发起社交行为 主动发起互动是ASD儿童最为缺乏的一项技能。Boccanfuso等[29]的研究发现，3名ASD儿童与社交机器人交流后的自发语言平均增加了35.3%，2名儿童的平均会话长度有所增加，1名儿童虽未表现出自发语言的增加，但产生自发语言的前提-模仿和共同注意均有显著提升。Vanderborght等[21]的研究中，4名ASD儿童在机器人Probo模拟社交场景后，仅需较少的外界提示便可主动发起互动，且其中1名儿童不需提示即可完成任务。实验显示，ASD儿童不仅针对机器人的社交行为增加，而且对同伴主动发起了更多的言语行为及共同关注[19，28]。此外，社交机器人能够在游戏中帮助ASD儿童培养轮流的观念，意识到社交互动中同伴的存在，并教会他们在说话做事前后等待同伴的回应，例如孩子将球踢向机器人后要等待机器人将球踢回[10]。上述社交机器人介导的干预均有助于ASD儿童学会主动发起社交行为。

4.5减少护理人员的工作量 ASD儿童的社交技能培训需要花费大量的时间和重复性工作，社交机器人介导的干预模式可以作为一种辅助手段来减轻护理人员的工作负担。社交机器人的行为干预对改善ASD儿童眼神接触[28]、共同注意[14]和面部情绪识别的效果均优于护理人员，这表明机器人是ASD儿童社交技能训练的良好引导者。国内一项研究显示，ASD儿童在机器人介导的干预模式下虽对共同注意的目标物体关注不足，但对机器人有着更高的注意，故社交机器人可以代替护理人员引导儿童进行注意力的过渡以形成共同注意[33]。ASD的高异质性决定了护理人员需要对儿童制定独特的干预计划以满足其特定的治疗需求，此过程耗时耗力，但机器人可根据ASD儿童特点设置不同的社交场景及任务，定制个性化干预方案，对不同个体进行特殊照护，并进行重复训练强化技能[34]。社交机器人主导的康复训练不仅满足了ASD儿童干预治疗的个性化及强化训练的需求，也避免了护理人员的大量重复性工作，减少了护理人员的工作量。

5 小结

社交机器人作为人工智能背景下的产物，易引起ASD儿童和护理人员的兴趣，能够提高ASD儿童的社交能力，具有安全性高、易于操作、针对性强、节约人力等优点。但目前社交机器人在ASD儿童照护中的应用仍存在一些问题，如ASD儿童在参与机器人介导的护理干预中，其社交能力提升的良好效果可能与机器人对儿童产生的新刺激有关，而干预效果能否迁移至ASD儿童的日常生活仍有待研究。Zheng等[30]发现，ASD儿童在干预训练过程中表现出眼神接触频率增加而后急剧减少的变化趋势，最初的急剧增加可能只是对新鲜刺激的反应。Huijnen等[27]提出，ASD儿童可能会依赖某些护理人员，若以社交机器人作为治疗师，需要关注ASD儿童是否会对社交机器人产生依赖。当前社交机器人干预尚缺乏规范化指南，参与的实验往往只涉及案例研究，干预时间较短，缺少大规模的纵向研究及评估标准，未来的干预需要大样本的随机对照试验以评估不同类型的社交机器人对ASD儿童社交能力改善的效果，为临床实践提供参考。我国在ASD儿童中应用社交机器人的研究罕见报道，在国内ASD儿童照护领域中实施社交机器人干预不仅为ASD儿童及其照顾者带来益处，也能促进多学科的交叉融合发展。