《科学》子刊：使“星星的孩子”学会数学和社交，AI机器人显身手

▎药明康德内容团队编辑  

对于许多自闭症儿童来说发育迟缓、沟通和行为、以及社交等方面均是要在其成长过程中不得不面对的困难。一个自闭症儿童的背后包含一个家庭的辛酸与泪水，更别说他们所承担的社会偏见和压力。传统学校里更是难见到这些“星星的孩子们”的身影了。若是现代科技能缓解一部分这些家庭的社会压力，无疑是积极的好消息。

机器人技术的发展在陪伴这些孩子的成长起着越来越大作用。近日，来自南加州大学（USC）计算机科学系的研究人员专门为自闭症儿童开发了一款个性化的基于人工智能技术的辅助机器人，来评估自闭症儿童学习某项任务的兴趣程度。该研究发表在《科学·机器人学》（Science Robotics）子刊上。

社会辅助性机器人（SAR）是人机交互（HRI）领域最有前途的新应用场景之一。近年来，它们发展快速，但在一些非典型用户和现实环境中，机器人的自主识别能力和响应提示能力仍受到不同程度限制，整体系统较为僵化。

这项研究则首次模拟了长期在家中的自闭症儿童的学习模式和参与度。且真实世界中的双向互动的技术在目前的SAR中鲜有存在，而本研究中的机器人不仅可以了解孩子的行为并实时做出反应，还可以根据不同自闭症孩子的真实情况调整其“陪伴模式”，从而使其性能更优良。

本文具体讨论了在长期、真实的世界中人机交互中应用监督学习（supervised learning）方法来建模用户参与双向互动的可行性和挑战。该研究也是同类型研究中规模最大的一次。研究为期一个月，研究人员在17名年龄在3-7岁之间的自闭症儿童家中放置了一个社交辅助机器人（SAR）。机器人在干预过程中会针对每个孩子的独特学习模式对指导和反馈模式进行个性化设置。

▲患有自闭症的儿童参与者在触摸屏平板电脑上玩数学游戏（图片来源：参考资料[2]）

孩子们在这一个月内，每天需要在平板电脑上玩一些数学游戏，而一台2英尺高的机器人——kiwi则会在一旁陪同提供指导和反馈。研究人员则为每个参与者平均收集了3个小时的多模式数据（包括视频、音频和游戏成绩等）。尽管数据差异很大，但凭借系统优越的性能，基于二进制分类法，这些模型实现了约90％的精度。

通常借助AI，模型需要学习大量相似的数据，才能练就一身“本领”。可对于自闭症儿童来说，异质性又是其数据最大的特征，研究人员在对儿童干预后的参与度分析中解决了这个问题。他们基于每个不同儿童头部姿势、语音语调、学习表现等丰富的多模式数据开发了一个参与度分析模型，从而使AI学习的“单一”问题得到了解决。个性化当之无愧，且从运行结果来看个性化的模式比单一模式的性能更良好。

▲个性化模式的精度优于各单一模式（图片来源：参考资料[2]）

另外考虑到机器人“陪伴”过程中的真实环境的噪声以及一些不可预测性情况的出现，使用现实世界的数据使这些算法有效工作也是一个重大挑战。所以该算法足够复杂，才能专注于消除这些扰乱因素。

进行了为期一个月的干预后研究人员再次进行评估，结果超出预期，100％的自闭症儿童表现出数学技能得到提高，92％的儿童的社交技能也得到了提高。同时，研究人员还从数据中收集到了一些“有趣信息”，这些信息可以帮助他们更好地发掘最理想的社会辅助性机器人交互方式。

研究还发现，该系统能提高儿童的参与度，但长期保持参与度和专注力，需要家人介入，加以督促。具体来看，当机器人在前一分钟保持说话时，70%的儿童会显示出乐在其中的状态；而当机器人沉默超过一分钟没说过话时，只有不到50%的儿童仍保持参与度和专注度。那么如何在系统设计时低效这些“沉默时间”或许是研究人员下一步所要做的了。

图片来源：Pixabay

研究人员强调：“这些社会性辅助机器人的存在是‘增强人类疗法’，而非‘替代人类疗法’。”SAR机器人使用方便，治疗师或许一天只能与自闭症孩子接触一小时，但机器人可以做到整天陪伴着孩子，对于治疗师的治疗也会起到很好的辅助作用。让社会对这些来自星星的孩子们的关爱，再多一些！

参考资料：

[1] Socially assistive robot helps children with autism learn Retrieved Mar 4, 2020

from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uosc-sar022620.php

[2] Modeling engagement in long-term, in-home socially assistive robot interventions for children with autism spectrum disorders Retrieved Mar 4, 2020 from Science Robotics  26 Feb 2020: Vol. 5, Issue 39, eaaz3791 DOI: 10.1126/scirobotics.aaz3791

[3] Researchers develop AI-based intervention for kids with autism Retrieved Mar 4, 2020 from https://www.statnews.com/2020/02/26/ai-based-intervention-kids-autism/

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