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For Society | 儿童交互机器人“大宝”,孤独症患儿的康复训练朋友

  • 2021.01.21
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从“让机器关爱生命”,到“AIR (AI and Robotics) for Society”,张家铭博士一直传承着让人工智能与机器人更好地服务个体和社会的理念。

        编者按:大宝(Big Pal)是一款面向孤独症儿童开发的社会交互式机器人,主要通过与孤独症患儿进行视觉、语音、触摸、动作等多方面的交互训练,帮助患儿改善病情;通过云端专家评估系统,进行数据分析和可视化呈现,帮助医生和家长了解患儿情况,辅助康复师进行病情诊断和康复训练,缓解相关医疗资源紧缺的压力。

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去年在AIRS展厅进行的CGTN“深圳40周年”专题直播中,主持人和大宝进行互动

01、从面向脑退化症的熊猫机器人到面向孤独症患儿的儿童交互机器人——做研究是一个传承与割断的过程

        “做研究是有传承的,同时也有割断(break)与创新,我们的最终目的是让机器关爱生命”,张家铭博士说。

        早在2015年,张博士作为团队成员,参与了香港中文大学(深圳)机器人与智能制造深圳市重点实验室的“熊猫机器人项目” ,该项目旨在开发一款针对脑退化症(又称“老年痴呆症”)患者进行康复训练的仿动物形态机器人。2016年年底,香港沙田医院出具的《熊猫机器人的可行性研究》表明,在参与交互的20位患有轻度认知障碍或者患有痴呆的老人当中,10位与机器人一对一交互的老人的情绪提升达到了统计学意义。

熊猫机器人

        在参与熊猫机器人项目之后,张博士意识到机器人技术确实可以用在一些特殊群体的康复治疗上,真正做到关爱生命,带来良好的社会效益。同时,他也关注到我国孤独症患儿数量众多,但相应的医疗资源十分不足,能为孤独症患儿提供专业病情诊断和干预的康复师也较为紧缺的现状。于是2017年7月,作为当时香港中文大学(深圳)机器人与智能制造研究院医疗组负责人的张家铭博士,带着让机器人服务社会的使命,启动了儿童互动机器人项目,开发面向孤独症患儿康复训练的机器人。从以前实验室所提的“让机器关爱生命”,到现在 AIRS 所倡导的“AIR (AI and Robotics) for Society”,张家铭博士一直传承着让人工智能与机器人更好地服务个体和社会的理念。

02、大宝的诞生经历了三个阶段——文献调研、实地走访、临床研究测试

        在进行大量的文献调研后,张家铭博士带领团队实地走访了十多家孤独症治疗相关的医院和康复机构,切身与孤独症患儿接触,了解他们的行为模式。同时与家长、医生/康复师进行深度访谈,了解他们的需求,也体会到他们的艰辛。

        由于目前没有根治孤独症的方法,只能通过长期的康复训练来改善病情,家长与医生/康复师都迫切需要一种高效率低成本的康复训练方法。在立体地了解患儿、家长、医生/康复师三方的需求后,团队对机器人的设计有了更明确的想法。随着研究的深入,研究团队开始针对患儿的不同病状,定制开发多个功能模块,以帮助患儿进行康复训练。在开发过程中,团队在专业医生和康复训练师的建议以及一次次临床研究测试下,不断对机器人做出调整。

第一代大宝机器人参展了第二十届中国国际高新技术成果交易会(高交会)

第二代大宝机器人参展了第二十一届高交会,并获“优秀产品奖证书”

03、从外形到功能,为孤独症儿童定制化开发的机器人

        如何让机器人更适配患儿的行为特征?实地走访时,张博士发现大多数患儿更愿意选择与外形相仿的机器人进行交互和玩耍,因此在外形的设计上,团队模拟了儿童的形态,总体上更加贴近于孤独症患儿身边的儿童伙伴形象,消除他们对机器人的恐惧。

高交会上与儿童互动

        而在测试过程中,孩子可能会突然跑开,为了吸引患儿的注意力,让其愿意与机器人进行主动交互,团队在大宝的全身布满触摸阵列,以更好地给予触摸反馈,这是市面上的其他社会性儿童机器人所没有的。同时借助基于视线跟踪的物体描述、视听融合的意图理解、基于视频的孤独症患儿主观异常行为识别等算法,大宝还可识别患儿的注意力和意图,主动与患儿交互,从而进一步提升患儿社会交往的主动性。

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第二代大宝机器人参展了第二十一届高交会,并获“优秀产品奖证书”

        在大宝的多个康复训练模块中,针对孤独症患儿普遍存在的主要障碍之一——情绪认知障碍,张博士和团队则开发了一个表情认知与训练系统(Facial Emotion Cognition and Training System)。该系统的情绪认知康复的范式设计以《如何教导自闭症儿童解读别人的想法》系列课程为基础,并根据专业康复训练师的建议对范式进行优化。研究团队对该系统进行了小样本的预测试, 并通过后端数据可视化系统对预测试的数据进行分析,验证了该系统对孤独症儿童情绪认知训练具有一定的可行性和有效性,为相关研究提供了重要的系统设计参考意义。

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表情认知与训练系统的初步临床研究测试

        张家铭博士说 “我们希望机器人能够带给患儿一些实际上的帮助,起码能够提高他们的认知能力和社交能力。”

04、针对病情特殊性——“世界上没有一样的两片树叶,同样也没有一模一样的两位病人

        除了一套针对孤独症患儿普遍适用的系统外,张博士还在考虑一个问题,“如何照顾到每一位患儿的病情特殊性呢?”大宝的系统中包含机器人本体机身和云端平台等部分。孤独症患者通过与机器人互动来进行情绪认知训练的过程中,机器人会记录其训练过程中每一步的各项数据,并上传到云端,由云端平台上的一个模块“云端专家评估诊断系统”来对数据进行统计和分析。医护人员可根据系统给出的统计分析,了解不同患者的治疗情况和康复进度,为患儿定制个性化的治疗与康复方案。

系统输出可视化图表

05、从康复机构到家庭,一种更高效和低成本的康复训练方式将出现

        传统的康复训练需要专业人员与患儿交互和记录数据分析,对人的精力要求高且人为记录存在不可控的主观性偏差。而机器人系统可以随时待命,辅助康复师分担一部分工作量,且数据量化更精准、分析更快速全面,这便到达了较高效精准的效果。而且使用专家评估系统只需有一个智能终端界面,比如手机,家长和康复师就可以随时随地获取数据与分析结果,了解患者整个训练过程,省下了获知成本,也降低了以往训练方式的人力费用。

        另外,张博士目前正在使用 AIRS 物联网与智能云研究中心黄铠教授团队所搭载的云平台,以后无论是在康复机构还是在家庭里的机器人数据都可以上传到这个云平台,机器人的运算成本将大大降低。而未来,除了降低成本,团队将在大宝身上加入更多的功能,完善训练系统,希望大宝将来可以正式在康复机构、医院和学校等场所进行投放使用,再逐步推广到其他场合,让大宝真正服务相关群体、服务社会。

张家铭博士(左二)团队与大宝