社交機(jī)器人對ASD兒童社會(huì)互動(dòng)行為的誘導(dǎo)效應(yīng)*

余 成 黃碧玉 姚雨佳

(1.浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023；2.浙江中醫(yī)藥大學(xué)人事處，杭州 310053)

1 引 言

社交障礙是自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorders,ASD)的典型特征之一(American Psychiatric Association,2013)，典型表現(xiàn)為社會(huì)互動(dòng)困難。社會(huì)互動(dòng)是主動(dòng)發(fā)起或響應(yīng)他人行為進(jìn)行交互的社交行為(Kamps,Barbetta,Leonard,& Delquadre,1994)，ASD兒童缺乏主動(dòng)社會(huì)互動(dòng)行為，響應(yīng)社會(huì)互動(dòng)時(shí)也表現(xiàn)異常。為改善ASD兒童社交能力，社會(huì)故事法(Gray & Garand,1993)、關(guān)鍵反應(yīng)訓(xùn)練(Koegel,Koegel,Harrower,& Carter,1999)和視頻示范(Nikopoulos & Keenan,2004)等方法被用于其社會(huì)互動(dòng)行為干預(yù)訓(xùn)練，并經(jīng)循證實(shí)踐證明有效(魏壽洪，王雁，2011)。但以上方法在促進(jìn)ASD兒童主動(dòng)社交方面仍存在局限：ASD兒童缺乏社交興趣，情緒喚醒困難；ASD兒童回避社交，懼怕人類面孔和眼睛；ASD兒童主動(dòng)性社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生率低。因此，增強(qiáng)社交興趣和情緒喚醒，緩解社交回避，誘導(dǎo)社會(huì)互動(dòng)行為主動(dòng)發(fā)生，既是改善ASD兒童社交障礙的前沿課題，也是ASD康復(fù)實(shí)踐亟待攻克的難題。

隨著人工智能發(fā)展，社交機(jī)器人因外觀和功能優(yōu)勢成為改善ASD兒童社交能力的新興工具。在外觀上，ASD兒童偏愛非生命特征(Shamsuddin,Yussof,& Mohamed,2015)，社交機(jī)器人能引起其社交興趣，緩解焦慮、恐懼等消極情緒(王永固等，2018)；在功能上，社交機(jī)器人具備人類化特點(diǎn)，能與ASD兒童進(jìn)行社交互動(dòng)，并提供反饋以增強(qiáng)其積極社交體驗(yàn)(Cabibihan,Javed,Ang,& Aljunied,2013)。

Tanaka和Sung(2013)提出，ASD兒童將人類面孔和眼睛視為具有威脅和厭惡感的刺激并回避。研究發(fā)現(xiàn)，ASD兒童注視人類目光時(shí)的情緒喚醒水平與其社交障礙程度相關(guān)(Kaartinen et al.,2012)。人類面孔和眼睛作為情緒誘導(dǎo)因素會(huì)激發(fā)自主神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)，并引起電生理變化(Riby,Whittle,& Doherty-Sneddon,2012)。其中，皮電是反映個(gè)體情緒喚醒的重要電生理指標(biāo)(Vossel,Stern,Ray,& Quigley,2001)。Kleinhans等(2008)發(fā)現(xiàn)，ASD兒童注視人類目光時(shí)的皮電反應(yīng)比正常兒童弱。另外，ASD兒童對社交機(jī)器人存在明顯偏好行為(Bekele et al.,2013)。但是，社交機(jī)器人能否對ASD兒童產(chǎn)生積極情緒喚醒、增強(qiáng)社交興趣并緩解社交回避有待驗(yàn)證。

相關(guān)研究證實(shí)，社交機(jī)器人能為ASD兒童提供安全和穩(wěn)定的環(huán)境，穩(wěn)定其情緒，對語言、眼神注視、模仿和合作等社會(huì)互動(dòng)行為進(jìn)行干預(yù)訓(xùn)練(Dautenhahn,Werry,Salter,& Te Boekhort,2003;Kim et al.,2013;Zheng et al.,2014)?，F(xiàn)有研究多以響應(yīng)性社會(huì)互動(dòng)行為作為目標(biāo)行為，借助社交機(jī)器人進(jìn)行長期、反復(fù)的訓(xùn)練以改善ASD兒童社交障礙。但是，如何通過社交機(jī)器人誘導(dǎo)ASD兒童主動(dòng)性社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生有待進(jìn)一步探索。

鑒于此，本研究通過社交機(jī)器人和人進(jìn)行社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)，以ASD兒童的情緒喚醒和社會(huì)互動(dòng)行為反應(yīng)為指標(biāo)，從生理和行為兩方面探究社交機(jī)器人對ASD兒童社會(huì)互動(dòng)行為的誘導(dǎo)效應(yīng)，分析社交機(jī)器人對社交興趣與情緒喚醒增強(qiáng)、社交回避緩解和主動(dòng)性社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生的作用，為社交機(jī)器人應(yīng)用于ASD康復(fù)實(shí)踐提供理論支持。

2 方 法

2.1 被試

本研究被試來自杭州市某自閉癥康復(fù)機(jī)構(gòu)，篩選標(biāo)準(zhǔn)：(1)被診斷為兒童自閉癥或自閉癥譜系障礙；(2)無視聽障礙；(3)能聽懂簡單指令；(4)無自殘、攻擊等嚴(yán)重問題行為。

通過隨機(jī)抽樣在符合標(biāo)準(zhǔn)的被試中選取30人，隨機(jī)分配至“機(jī)器人-人”和“人-機(jī)器人”兩種實(shí)驗(yàn)順序組，每組15人，并檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)順序效應(yīng)。剔除中途退出或未完成實(shí)驗(yàn)的被試，最終被試24人，男孩22人，女孩2人，“機(jī)器人-人”組13人，“人-機(jī)器人”組11人，年齡為5.31±1.18歲，均接受《自閉癥兒童心理教育評估(第三版)》(PEP-3)。被試PEP-3溝通得分18.50±6.57，行為得分16.79±9.34，體能得分16.92±8.65，其發(fā)展和適應(yīng)程度整體表現(xiàn)嚴(yán)重落后；不同實(shí)驗(yàn)組被試PEP-3溝通、行為和體能得分無顯著差異(p>0.05)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和程序

本研究采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)，自變量為誘導(dǎo)社會(huì)互動(dòng)行為的社交對象(NAO機(jī)器人、人)。因變量為被試社會(huì)互動(dòng)行為和皮電反應(yīng)，包括實(shí)驗(yàn)中被試靠近、接觸、模仿和眼神注視的發(fā)生次數(shù)，眼神注視時(shí)長占實(shí)驗(yàn)時(shí)長比率及皮電變化率。

按照社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)方案，由NAO機(jī)器人和人對被試執(zhí)行打招呼、手指指示和眼神跟隨三個(gè)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)長約30分鐘，全程錄像。

實(shí)驗(yàn)室遮光和隔音效果良好。實(shí)驗(yàn)有4名主試，主試A執(zhí)行社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)方案并協(xié)助NAO機(jī)器人執(zhí)行方案，主試B操作計(jì)算機(jī)控制NAO機(jī)器人，主試C操作Biofeedback 2000 x-pert生物反饋儀，主試D照看被試，主試A、B、C為研究團(tuán)隊(duì)成員，主試D為康復(fù)機(jī)構(gòu)治療師，所有主試在實(shí)驗(yàn)中均為同一人。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

2.3.1 社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)方案

基于ASD康復(fù)理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)方案，由社交對象執(zhí)行，NAO機(jī)器人執(zhí)行誘導(dǎo)方案通過Python語言編程實(shí)現(xiàn)。本方案包括三個(gè)環(huán)節(jié)：(1)打招呼，社交對象向被試眨眼睛、招手和對話，使被試融入社交情境；(2)手指指示，社交對象用手指隨機(jī)指向被試左右的中性刺激物8次，并伴隨語言“看我的手指”“看這邊”，手指指示跟隨是重要的社交技能，與跟隨、模仿等行為密切相關(guān)；(3)眼神跟隨，社交對象隨機(jī)注視被試左右的中性刺激物8次，并伴隨語言“看我的眼睛”“看這邊”，眼神跟隨為更復(fù)雜的社會(huì)互動(dòng)行為，有助于ASD兒童進(jìn)行高功能的社交活動(dòng)。

2.3.2 《社會(huì)互動(dòng)行為觀察記錄表》

根據(jù)國內(nèi)外研究(Dawson,Meltzoff,Osterling,& Rinaldi,1998;林姿伶，2003;劉昊，劉立輝，2010;Robins,Dautenhahn,Te Boekhorst,& Billard,2004)，本研究選取靠近、接觸、模仿和眼神注視作為社會(huì)互動(dòng)行為，并對其進(jìn)行操作性定義，見表1。采用《社會(huì)互動(dòng)行為觀察記錄表》記錄被試行為數(shù)據(jù)，包括：被試基本信息；靠近、接觸、模仿和眼神注視次數(shù)；眼神注視時(shí)長和實(shí)驗(yàn)時(shí)長。

表1 社會(huì)互動(dòng)行為操作性定義與計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 數(shù)據(jù)收集與分析

社會(huì)互動(dòng)行為數(shù)據(jù)包括靠近、接觸、模仿和眼神注視行為發(fā)生次數(shù)，以及眼神注視時(shí)長占實(shí)驗(yàn)時(shí)長比率，由2名研究者根據(jù)其操作性定義，觀看錄像并計(jì)數(shù)，取平均值，進(jìn)行觀察者一致性檢驗(yàn)。眼神注視時(shí)長占比=眼神注視時(shí)長/實(shí)驗(yàn)時(shí)長。

以皮電變化率為情緒喚醒程度指標(biāo)，共測四個(gè)階段皮電反應(yīng)過程值：基線、打招呼、手指指示和眼神注視，由Biofeedback 2000 x-pert生物反饋儀記錄。皮電變化率=∣皮電反應(yīng)過程值-基線值∣/基線值。

使用Excel匯總行為、皮電數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié) 果

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 觀察者一致性檢驗(yàn)

采用Spearman等級相關(guān)檢驗(yàn)行為發(fā)生次數(shù)的觀察者一致性，采用Pearson積差相關(guān)檢驗(yàn)行為持續(xù)時(shí)間的觀察者一致性。結(jié)果表明，不同研究者所記錄的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較高一致性，見表2。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)順序效應(yīng)檢驗(yàn)

Wilcoxon秩和檢驗(yàn)表明，不同實(shí)驗(yàn)順序組在不同誘導(dǎo)環(huán)節(jié)社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生次數(shù)和皮電變化率均無顯著差異(p>0.05)。以實(shí)驗(yàn)順序?yàn)樽宰兞?，以不同誘導(dǎo)環(huán)節(jié)被試眼神注視時(shí)長占比為因變量，進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，不同實(shí)驗(yàn)順序組在不同誘導(dǎo)環(huán)節(jié)眼神注視時(shí)長占比均無顯著差異(打招呼：t22NAO=-1.33,p>0.05;t22人=-1.69,p>0.05;手指指示：t22NAO=0.10,p>0.05;t22人=1.24,p>0.05;眼神跟隨：t22NAO=-0.53,p>0.05;t22人=0.33,p>0.05)，描述性統(tǒng)計(jì)見表3。綜上，實(shí)驗(yàn)順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果無顯著影響。

表2 觀察者計(jì)數(shù)相關(guān)系數(shù)

注：**指p<0.01。

表3 不同實(shí)驗(yàn)順序組被試行為與皮電數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)(M±SD)

3.2 行為數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2.1 不同社交對象誘導(dǎo)被試社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生次數(shù)的差異

3.2.2 被試對不同社交對象眼神注視時(shí)長占比的差異

以社交對象為自變量，不同誘導(dǎo)環(huán)節(jié)中被試眼神注視時(shí)長占比為因變量，進(jìn)行單因素重復(fù)測量方差分析，描述性統(tǒng)計(jì)見表5。結(jié)果表明，不同誘導(dǎo)環(huán)節(jié)，被試對NAO機(jī)器人眼神注視時(shí)長占比均顯著高于人(F(1,23)打招呼=379.66,p<0.001,η2=0.943;F(1,23)手指指示=186.70,p<0.001,η2=0.890;F(1,23)眼神跟隨=66.83,p<0.001,η2=0.744)。

表4 社會(huì)互動(dòng)行為發(fā)生次數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)(M±SD)

表5 眼神注視時(shí)長占比描述性統(tǒng)計(jì)(M±SD)

3.3 皮電數(shù)據(jù)結(jié)果

表6 皮電變化率描述性統(tǒng)計(jì)(M±SD)

4 討 論

4.1 社交機(jī)器人增強(qiáng)ASD兒童社交興趣和情緒喚醒，緩解其社交回避

本研究發(fā)現(xiàn)，ASD兒童與NAO機(jī)器人互動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的趨向性和偏好性，具體表現(xiàn)為高頻率的靠近、接觸，長時(shí)間的眼神注視，與前人研究結(jié)果一致(Tapus et al.,2012)。同時(shí)，本研究采用皮電反映ASD兒童在社交互動(dòng)誘導(dǎo)過程中的情緒喚醒程度，皮電水平高低對應(yīng)刺激物對情緒喚醒程度的高低(Bradley,Codispoti,Cuthbert,& Lang,2001)。本研究結(jié)果表明，打招呼時(shí)，ASD兒童對NAO機(jī)器人的皮電變化率高于人，情緒喚醒程度更高。實(shí)驗(yàn)錄像也顯示，ASD兒童對NAO機(jī)器人表現(xiàn)出愉悅的表情和行為。ASD兒童害怕并回避與人社交，阻礙其社會(huì)互動(dòng)行為的產(chǎn)生和社交能力的提高。相反，ASD兒童對非生命特征的偏好使其對機(jī)器人興趣強(qiáng)烈，并在互動(dòng)時(shí)達(dá)到更高的情緒喚醒水平，伴隨積極情緒體驗(yàn)，主動(dòng)發(fā)起靠近、接觸和眼神注視，進(jìn)而促進(jìn)ASD兒童主動(dòng)社交。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，在手指指示和眼神跟隨環(huán)節(jié)，ASD兒童對NAO機(jī)器人存在明顯的趨向行為，其皮電變化率在不同社交對象上卻無顯著差異，表明社交機(jī)器人無法使ASD兒童產(chǎn)生持續(xù)的情緒喚醒。根據(jù)情緒喚醒模型，ASD個(gè)體杏仁核活躍度低，注視人類面孔和眼睛時(shí)生理喚醒水平低，導(dǎo)致其與人類社交時(shí)難以獲得積極心理體驗(yàn)(李永剛，2018)。在打招呼階段，ASD兒童對不同社交對象的情緒喚醒有顯著差異，但差異隨時(shí)間推移而消除。這或許與杏仁核激活水平降低有關(guān)，即與社交機(jī)器人互動(dòng)初期，ASD兒童的杏仁核激活水平較高，隨互動(dòng)進(jìn)行杏仁核激活水平降低至與人互動(dòng)無異?？梢?，社交機(jī)器人在一定程度上能增強(qiáng)ASD兒童社交時(shí)的情緒喚醒，產(chǎn)生積極心理體驗(yàn)，但如何保證積極、持續(xù)的情緒喚醒仍需研究。

4.2 社交機(jī)器人誘導(dǎo)ASD兒童社會(huì)互動(dòng)行為主動(dòng)發(fā)生

本研究設(shè)計(jì)社會(huì)互動(dòng)行為誘導(dǎo)方案，比較不同社交對象對被試社會(huì)互動(dòng)行為的誘導(dǎo)效應(yīng)，結(jié)果表明，較之于人，社交機(jī)器人更有效地誘導(dǎo)ASD兒童社會(huì)互動(dòng)行為主動(dòng)發(fā)生，其靠近、接觸和眼神注視等行為發(fā)生次數(shù)更多。正如Robins等(2004)研究發(fā)現(xiàn)，ASD兒童在與社交機(jī)器人的社交互動(dòng)中，其靠近、接觸和眼神注視等親社會(huì)行為的發(fā)生呈現(xiàn)增長趨勢。

眼神蘊(yùn)含大量社交信息，而ASD兒童存在眼神注視缺陷(陳蓮俊，2012)。Dalarli等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，社交機(jī)器人能吸引ASD兒童的注意，增加其眼神注視次數(shù)。本研究也證實(shí)，較之于人，社交機(jī)器人誘導(dǎo)ASD兒童的眼神注視次數(shù)更多，眼神注視時(shí)間更長。社交機(jī)器人具備良好的眼神注視誘導(dǎo)效果，既能提升ASD兒童通過眼神接受、理解并表達(dá)社交信息的能力，又能促進(jìn)其他社會(huì)互動(dòng)行為的產(chǎn)生和社交能力的發(fā)展。

另外，本研究并未發(fā)現(xiàn)社交機(jī)器人和人在誘導(dǎo)ASD兒童主動(dòng)發(fā)起模仿行為方面的差異。Carpenter等人(2002)提出，ASD兒童的模仿能力與其語言、社交等能力發(fā)展密切相關(guān)。模仿行為因激發(fā)方式不同可分為被動(dòng)模仿和主動(dòng)模仿(庾曉萌，2015)。研究證實(shí)，ASD兒童能響應(yīng)社交機(jī)器人的指令而對社會(huì)互動(dòng)行為進(jìn)行被動(dòng)模仿(Dautenhahn,Werry,Salter,& Boekhort,2003;Duquette,Michaud,& Mercier,2008;Warren et al.,2015;Zheng et al.,2014)。例如，Duquette等(2008)發(fā)現(xiàn)，ASD兒童能夠模仿社交機(jī)器人的表情。Warren等(2015)考察ASD兒童和正常兒童在提示下模仿人和機(jī)器人的行為差異，發(fā)現(xiàn)ASD兒童模仿機(jī)器人行為的成功率和正確率更高。以上研究均通過社交機(jī)器人提示ASD兒童進(jìn)行模仿，并未探究其對主動(dòng)模仿的作用。為此，本研究考察社交機(jī)器人能否誘導(dǎo)ASD兒童發(fā)生主動(dòng)模仿行，但未得到證實(shí)。究其原因，對目標(biāo)行為意圖的理解是激發(fā)主動(dòng)模仿的重要因素(Roger et al.,2007)，但鏡像神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂導(dǎo)致ASD兒童對動(dòng)作意圖的理解能力損傷，使其難以進(jìn)行主動(dòng)模仿(Oberman et al.,2005)。主動(dòng)模仿是ASD兒童獲得社交知識和技能的重要途徑，如何利用社交機(jī)器人設(shè)計(jì)有效的主動(dòng)模仿行為誘導(dǎo)方案，改善ASD兒童因生理損傷造成的主動(dòng)模仿能力缺陷，提高其社交能力有待探索。

5 研究展望

未來研究可從以下方面深化。首先，開展縱向追蹤研究，分析ASD兒童與社交機(jī)器人社交互動(dòng)時(shí)社會(huì)互動(dòng)行為、社交興趣和情緒喚醒的變化趨勢。其次，采用眼動(dòng)和電生理技術(shù)分析社交機(jī)器人的非生命特征對ASD兒童主動(dòng)社交的誘導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)社交機(jī)器人外觀和功能，增強(qiáng)ASD兒童社交動(dòng)機(jī)。最后，現(xiàn)有研究中社交機(jī)器人按既定程序執(zhí)行活動(dòng)，與ASD兒童互動(dòng)靈活性有待加強(qiáng)，可對社交互動(dòng)行為、生理反應(yīng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，調(diào)整社交機(jī)器人的反應(yīng)程序，優(yōu)化社交互動(dòng)過程，幫助ASD兒童獲得更多積極社交體驗(yàn)，改善其主動(dòng)社交能力。