社交輔助機器人幫助自閉症兒童學習

2020-11-05 南加州大學國際學院

✰南加州大學全美第19名---《華爾街日報》/《泰晤士報高等教育增刊》

✰南加州大學全美第24名 --- U.S.News 2021


南加州大學研究人員專為自閉症兒童開發了個性化的學習機器人，並研究了這些機器人是否能夠在長期的家庭治療幹預中自主評估兒童的參與度。

許多患有自閉症的兒童都面臨著發育遲緩的問題，包括溝通和行為挑戰以及社交困難等。因此，他們難以學習新技能，在傳統的學校環境中尤為如此。

以往研究表明，社交輔助機器人能夠支持自閉症兒童的學習。但是，如果機器人能夠準確解讀孩子的行為並給出適當的反應，將能夠發揮治療幹預的最大成效。

現在，南加利福尼亞大學計算機科學系的研究人員為自閉症兒童開發了個性化的學習機器人。他們還研究了機器人能否通過機器學習評估孩子對某項任務的興趣。

研究人員所開展的研究是同類研究中規模最大一項，其中，研究人員將一個社交輔助機器人放在17名自閉症兒童的家中，為期一個月。機器人針對每個孩子在幹預過程中的獨特學習模式提供了個性化的指導和反饋。

研究完成後，研究人員還分析了7名受試者的參與度，確定機器人可以自主檢測孩子是否參與，準確率達90%。這些實驗成果先後在11月6日和2月26日的《Frontiers in Robotics and AI》和《Science Robotics》期刊上發表。

讓機器人更智能

機器人的自主識別和響應行為線索的能力有限，尤其是在非典型用戶和現實環境中。該項研究是首個在長期家庭環境中對自閉症兒童的學習模式和參與度進行建模的研究。

第一作者Shomik Jain說道：「目前的機器人系統還非常死板。」Shomik Jain是一名數學專業本碩連讀學生，接受了社會輔助機器人研究先鋒Maja Matarić教授的指導。

Shomik Jain表示：「你可以設想一個真正的學習環境，也就是老師會去嘗試了解孩子，孩子也會向老師學習。這是一個雙向的過程，目前的機器人系統還無法實現這點。這項研究的目的是要理解孩子的行為並實時做出反應，讓機器人更智能。」

研究人員強調，他們的研究目標旨在輔助增強人類療法，而非取代。

計算機科學本科生也是本研究的共同作者Kartik Mahajan說道：「人類治療師的角色非常重要，但並不是所有的家庭都能獲得或能夠承擔所需的費用。所以我們才需要研究社交輔助機器人。」

增強學習體驗

在多所大學的資助下，南加利福尼亞大學的美國國家科學基金會 (NSF) 計算遠徵計劃由Matarić領頭，南加利福尼亞大學Viterbi工程學院工程教育教授Gigi Ragusa擔任共同負責人，後者提供了關鍵領域的專業知識。在該計劃中，研究團隊將機器人Kiwi放在17個自閉症兒童的家中。由來自大洛杉磯地區的Ragusa負責招募了年齡在3-7歲的兒童和他們的家人，並進行了篩選和評估。

孩子們幾乎每天都會接受幹預，他們會在平板電腦上玩太空主題的數學遊戲，而2英尺高看起來就像一隻綠羽鳥的機器人Kiwi則在旁提供指導和反饋。

Kiwi的反饋和遊戲難度會根據每個孩子的獨特學習模式進行實時個性化調整。南加利福尼亞大學互動實驗室中的Matarić團隊利用強化學習完成了這項任務，強化學習是人工智慧 (AI) 的一個分支，近年來發展迅速。

機器人會使用算法監控孩子在數學遊戲中的表現。比如說，如果一個孩子回答正確，Kiwi就會說:「太棒了！」如果他們答錯了，那Kiwi可能會提供一些指導性的提示來引導他們解決問題，並在後續遊戲中調整難度和反饋。這樣，就可以儘量探索學習者的難度上限，同時也不會讓他們遇到太多的難題。

Jain說道：「如果你不了解孩子的能力水平如何，只是扔給他們一堆難度各異的問題，這非常不利於他們的投入或學習進步。但是如果能通過機器人確定適當的問題難度級別，那就可以真正增強學習者的學習體驗。」

終極前沿

在自閉症患者和他們的家人中，有一種說法廣為流傳：如果你遇到一個自閉症患者，你會遇到一個孤獨症患者。

計算機科學、神經科學、小兒科Chan Soon-Shiong傑出教授兼臨時研究副主任Matarić表示：「自閉症是機器人個性化的終極前沿，任何了解自閉症的人都會告訴你，每個人都會有一系列的症狀，每種症狀的嚴重程度也存在差異。」

這給機器學習帶來了特別的挑戰，因為機器學習通常依賴於從大量相似數據中找出一致的模式。正因如此，個性化才顯得尤為重要。

Matarić說道「如果我們能夠利用到孩子表現出來的線索，我們的幹預成果就能遠遠超過照本宣科的模式。要輔助自閉症的幹預，常規的人工智慧沒有助益。人工智慧需要大量的相似數據，但這對於具有異質性的自閉症來說是不可能的。」

研究人員通過對幹預後兒童參與度情況展開分析，解決了這個問題。參與度計算機模型的開發結合了多種類型的數據，包括眼睛注視和頭部姿勢、音調和音頻以及任務表現等。

而現實世界中必然會伴隨噪音和不可預測性，這給使用現實世界數據的算法工作帶來了重大挑戰。

負責在孩子們家中安放機器人的Kartik說道：「這個實驗就是圍繞他們的學習體驗而開展的。

在他們的學習過程中，不時有貓跳到機器人上，廚房的攪拌機響動，還有人在房間裡進進出出。」因此，機器學習算法會非常複雜，才能確保專注於與治療過程相關的信息，濾掉環境「噪音」。

改善人機互動技術

研究人員對幹預一個月前和幹預一個月後的孩子們表現進行了評估。雖然研究人員預料到參與者的情況會有一些改善，但結果超出了他們的預期。據該研究項目中負責所有兒童評估的Ragusa稱，在當月的幹預結束時，100%的參與者均表現出數學能力提高，92%的兒童的社交能力也有所改善。

在實驗後的分析中，研究人員還從數據中收集到了一些其他有意義的信息，通過這些信息，我們窺見了理想的兒童-機器人交互方式。

研究發現，在機器人說話後不久，所有參與者的參與度都提高了。更確切地說，機器人說話後一分鐘內，參與者參與的時間約為70%，而如果機器人超過一分鐘沒有說話，則參與者參與的時間不到50%。

雖然最理想情況下，應該是針對每個用戶產生個性化模型，但研究人員還發現，使用根據其他用戶數據生成的交互模型也有可能獲得良好成效。

此外，該研究還觀察到，只有在孩子較長時間喪失學習興趣時，照護者才需要執行幹預。與此相反的是，參與者沒有興趣的持續時間通常較短，然後會自行重新投入。這表明機器人系統應該將重點放在如何應對較長時間的興趣脫離問題。

研究團隊將繼續研究從實驗中收集的數據：目前的一個子項目涉及分析兒童的認知-情感狀態並進行建模，包括困惑或興奮等情緒。該項目由計算機科學本碩連讀學生Zhonghao Shi主導，旨在設計具有情感感知功能的社交輔助機器人導師，這種類型的機器人對用戶在學習過程中的情緒和情感更為敏感。

Jain表示：「我們希望未來這個實驗室和其他地方能夠開展更深入的研究，利用我們的所知所學，設計出更具吸引力、個性化更強的人機互動。」

編輯：Caitlin Dawson

頭圖：（從左至右）第一作者SHOMIK JAIN與共同作者KARTIK MAHAJAN和ZHONGHAO SHI，都是MAJA MATARI教授互動實驗室的學生，還有社交輔助機器人KIWI。攝影/HAOTIAN MAI

相關焦點

  • 自閉症兒童不用害怕 治療機器人來幫助學習社交技能
    自閉症兒童不用害怕 治療機器人來幫助學習社交技能  Emma Chou • 2018-08-13 11:55:00　來源：前瞻網　E420G0
  • Blossom:這個機器人要幫助自閉症兒童學習社交技巧
    Blossom 是康奈爾大學助理教授 Guy Hoffman 製造的一款機器人。不過，初看上去，它並不像機器人，更像是一個破布玩偶。它有著兔子一樣的外形，還有兩隻手工製作的木頭耳朵。這種設計自有道理。這款機器人想幫助自閉症兒童學習社交技巧。
  • VOA慢速英語(翻譯+字幕+講解):機器人助自閉症兒童學習社交技能
    多數學校的環境比較吵鬧、課堂氣氛活躍，社交互動頻繁。So, researchers in Britain have made a child-sized robot to help autistic children learn social skills. 鑑於此，英國研究人員發明了一款兒童大小的機器人幫助自閉症兒童學習社交技能。
  • 怎樣幫助自閉症兒童|幫助自閉症兒童,輕度自閉症,阿斯伯格症候群...
    記住：雖然許多自閉症兒童並不是自然而然地喜歡模仿別人或與別人互動，但他們通常可以通過外在獎勵而學習到享受這些活動。非自閉症兒童自然而然地擁有社會性獎勵機制。雖然需要對外部獎勵進行訓練，你也可以嘗試著給自閉症兒童創造出新的獎勵方法。　　善用他們最好的學習強項和學習風格　　與其他孩子一樣，自閉症兒童有學習的強項和弱項。
  • 美國猶他大學用VR舞蹈應用幫助自閉症兒童
    上周末，2019年國際自閉症研究學會在蒙特婁舉行。會上展示了用於自閉症研究的微型機器人和各種應用。其中，美國猶他大學舞蹈學院展示了用於自閉症研究的VR應用。
  • 自閉症兒童不愛說話?4招激發孩子的社交溝通動機
    多數自閉症兒童往往給人的印象是「不愛說話」，喜歡「一個人玩」。社交溝通障礙是自閉症譜系障礙患者的核心症狀，社交動機不足是他們普遍存在的缺陷。因此，從自閉症幹預的角度來說，激發社交動機，讓他們產生溝通欲望，在環境中主動學習，是很重要的一步，可以讓幹預事半功倍。
  • 怎樣幫助自閉症兒童
    記住：雖然許多自閉症兒童並不是自然而然地喜歡模仿別人或與別人互動，但他們通常可以通過外在獎勵而學習到享受這些活動。非自閉症兒童自然而然地擁有社會性獎勵機制。雖然需要對外部獎勵進行訓練，你也可以嘗試著給自閉症兒童創造出新的獎勵方法。　　善用他們最好的學習強項和學習風格　　與其他孩子一樣，自閉症兒童有學習的強項和弱項。
  • 自閉症兒童怎樣適應社交障礙?簡單有效的小方法送給自閉症家長
    歡迎來到星悟說自閉症，社交障礙是自閉症孩子的一大典型特徵。社交障礙讓自閉症孩子很難適應同齡人，更難以融入社會。作為自閉症家長或自閉症幹預師該如何幫助自閉症兒童適應社交及融入社會呢？一.自閉症孩子怎樣適應社交一個優秀的語言和社交幹預治療師，能夠很快看到孩子的進步，由於大多數老師都是女性，而大多數自閉症兒童都是小男孩。
  • 【治療】眾籌機器人治療「星星的孩子」
    劉肖和智慧機器人NAO　　近日，在深圳衛視播出的《創客星球》中，展示了一款可以輔助自閉症兒童（也稱「星星的孩子」）康復成長的智慧機器人NAO。　　這個創意的發起人是來自湖北黃岡市浠水縣的高考狀元劉肖。目前，她所在的團隊已眾籌3臺總價值54萬元的NAO機器人，開展對自閉症兒童的康復治療。
  • 為幫助自閉症兒童理解表情 史丹福大學研發「超級眼鏡」
    現在，史丹福大學的研究人員宣稱，他們可能研發出新的輔助設備——Superpower Glass眼鏡。他們將增強現實（AR）眼鏡與特定的應用程式相結合，這款應用使用人工智慧（AI）可識別兒童視野中的人臉和面部表情，然後向兒童展示相應表情的表情符號。
  • 中美星星橋「TLS 語言·學習·社交」 —— 自閉症新康復體系發布
    對於康復體系、專業課程和社會扶持都不完善的中國自閉症康復領域來說，「TLS 語言·學習·社交」 —— 自閉症新康復體系的出現將會為中國自閉症家庭帶來福音，解決其當前遇到的種種困境。基於以上目標和理念，TLS體系分為了三大模塊，以幫助中國自閉症患者克服相關層面的障礙：T——語言模塊（Talk）、L——學習模塊（Learning）、S——社交模塊（Social）。
  • 兒童自閉症幹預的有效手段
    今天與大家分享這篇文章，就是希望父母們找到合適的幹預手段，真正幫助到孩子，願我們的孩子都能安全、健康、快樂地成長。自閉症兒童對自身環境的變化十分敏感，為確保生活環境、學習環境和訓練計劃有效進行，家長和機構老師需要根據個體特性營造出適合他們的環境，同時必須清晰的告訴自閉症幼少兒需要做什麼？
  • 專家:50%以上自閉症兒童可正常學習獨立工作生活
    過半自閉症兒可正常生活專家：給予科學幹預和支持 50%以上自閉症兒童可正常學習獨立工作生活獵德中學操場上，自閉症兒童正在積極備戰肇慶半馬。昨日是「世界提高自閉症意識日」，我國自閉症診療領域權威專家、中山大學附屬第三醫院兒童發育行為中心主任鄒小兵教授面向公眾作公益講座，鄒小兵指出，美國的研究有一定依據，根據近年臨床發現，越來越多智力正常、語言正常的兒童被確診為自閉症，相信有超過一半的自閉症兒童有望通過幹預重新融入社會，因此，患兒家長應學會科學的家庭幹預手段，為孩子的獨立生活創造條件和機會。
  • 自閉症兒童不會說話怎麼辦?自閉症兒童學說話的九個方法
    自閉症兒童不會說話怎麼辦？自閉症兒童不回應、沒有反應怎麼辦？怎樣幫助自閉症兒童說話？自閉症是一種社交交往障礙，不僅影響兒童口頭表達能力，其他溝通能力也一樣影響，不只是幼少兒，自閉症青少年甚至成人都無法開口說話。那麼影響自閉症語言交流的因素有哪些呢？
  • 自閉症兒童需要您的關愛
    自閉症，又稱「孤獨症」，是一種屬於自閉症譜系障礙，在兒童發育早期就出現的神經發育障礙，主要包括兩大核心症狀：第一為持續性地出現社交、溝通障礙；第二是興趣狹窄和重複、刻板的行為模式。我們的醫師、康復治療人員及個別家長在與自閉症兒童長期打交道的實踐中總結出了一系列的幹預治療方法，不同的幹預訓練方法主要解決自閉症兒童不同方面的問題。幹預方法主要有：行為幹預、語言和溝通幹預、社會交往幹預以及綜合幹預等，還有其它輔助的治療手段，如：音樂療法等。幹預訓練目前成為治療自閉症的主要手段，而且必須是早期的幹預服務。
  • 自閉症兒童綜合幹預注意事項
    根據沃頓幼兒項目的幹預研究表明，1歲半開始到4歲自閉症幼兒取得了更為積極有效的效果，主要表現在言語和社交行為的發展方面。越來越多的專業人士開始嘗試對幼兒進行篩查評估，進而及早進行幹預。主要涉及：溝通、社交、問題行為預防這三大自閉症核心缺陷領域，也在不同程度上包含了運動力(包括運動的計劃性與協調性、精細動作及粗大動作、動作模仿)、獨立性(包括做家務、日常生活管理、尋求幫助)、認知(簡單的學習能力)這三大發展領域。　　1.溝通方面，應注重功能性溝通，採用手語、圖片等途徑激發本能性進行交流。
  • 自閉症兒童多運動的好處
    多項研究發現,經常鍛鍊能幫助自閉症兒童。 自閉症是一 -種複雜的神經生物學發展障礙，通常在兒童時期被診斷出來，並且影響這個人的一生。 雖然引起自閉症的原因尚不清楚，並且還未找到治癒的方法，但是確實存在有效的幹預方式，可以使自閉症兒童的問題行為得到顯著改善。
  • 面向自閉症兒童家庭免費提供 中國首個自閉症兒童社交能力評估系統...
    圖註：大米和小米兒童成長中心（北京）4月2日是第13個世界自閉症日（官方稱孤獨症），自閉症兒童早期康復幹預機構大米和小米公布了最新研發成果——RICE社交階梯評估系統（RSSS），這是中國首個針對自閉症兒童的核心障礙
  • 我該怎樣幫助自閉症兒童玩耍
    自閉症兒童不像一般兒童那般理解遊戲方式。）2、設法應付這個世界（例如：幻想出另一個簡單、理想化的世界）3、 研究外界事物（例如：花多個小時觀察螞蟻群居的情況）4、研究事物如何運作，以便更好地控制他們周圍的環境（例如：利用陽光及放大鏡做小實驗等）5、 在混亂中建立秩序（例如：將玩具排成整齊的一行）6、提升自尊（例如：學習一些其它小孩子不知道的事實）與其強迫自閉症兒童遵守與他們年齡相符的社會規範
  • 自閉症孩子幹預必經之路：6級社交階梯、100個社交元素
    自閉症兒童先天性缺乏社交動機，這導致了他們社交興趣和社交行為的缺陷。但他們其他生理、心理需求動機依然存在，所以幹預中，我們就可以用這些需求作為誘因，來誘導社交動機、社交興趣和社交行為。比如用孩子感興趣的食物、玩具或活動來吸引孩子對我們的關注。