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对于视觉障碍者来说,其梦寐以求的一件事或许就是能够在室外自由而无顾虑地行走。

根据世界卫生组织发布的首份《世界视力报告》,“目前全球有超过 22 亿人视力受损或失明,其中有超过 10 亿人是因近视、远视、青光眼和白内障等问题未得到必要的治疗所导致。”

对于视力受损的人来说,在不熟悉的路线上行走极具挑战性,因为这可能需要避开障碍物、识别物体以及在室内和室外进行寻路。

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图 | 盲人专用手杖(来源:Pixabay)

通常,视觉障碍者会使用白手杖(White Cane)、导盲犬和电子旅行辅助工具来帮助其探测、保护和辨识路况。其中,白手杖由于其轻巧方便,可有效探测障碍物及路面高低落差以帮助使用者提前规避,从而在一众行动辅具之中脱颖而出,颇受全盲或重度低视力者青睐。

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但显然,人们对视觉障碍者这个特殊群体的关注力度并不够,白手杖已经有一个世纪没有进行过有效的升级改造。

近日,好消息传来,斯坦福大学的研究人员正在报告一种智能手杖的进展,它解决了导航挑战并改善了视力受损人士的移动性。这款带有一套全面传感器和一种直观反馈方法来引导用户的白色手杖将在不久后投入市场,售价为 400 美元,重量仅约 1.3 公斤。[1]

10 月 13 日,相关研究成果以《多模式传感和直观的转向辅助可改善视力受损人士的导航和移动性》(Multimodal sensing and intuitive steering assistance improve navigation and mobility for people with impaired vision)为题,发表在Science Robotics期刊。

图 | 相关论文(来源:Science Robotics)

斯坦福大学智能系统实验室的博士后帕特里克·斯莱德(Patrick Slade)为该论文的第一作者,斯坦福大学航空航天系副教授迈克尔·科琴代弗(Mykel Kochenderfer)担任通讯作者。

事实上,这款白色手杖并不是最早出现或者最便宜的智能手杖。但是对于视觉障碍者来说,传统的智能手杖既昂贵且沉重,而且受到当前传感器技术的限制,可检测的范围非常狭隘,因此并不是很受欢迎。

斯莱德说:“我们想要一种对用户更友好的东西,而不仅仅是带有传感器的白色手杖。不仅能告诉你有一个物体挡在你的路上,还能告诉你那个物体是什么,然后帮助你绕过它。”

在这项研究中,该团队对增强型手杖进行了展示,并分别让视力正常和视力受损的参与者在蒙住眼睛的情况下完成日常导航挑战——步行走廊、避开障碍物和穿越室外航点。从而将增强型手杖与普通白色手杖进行了比较。

图 | 增强型手杖概述(来源:Science Robotics)

在所有实验中,使用该增强型手杖的参与者步行速度比使用普通白手杖的参与者普遍提高了许多,无论是视力正常的人还是视觉障碍者,结果都是如此。

该团队表示,步行速度的增加可能是由于准确的转向辅助、减少的认知负荷、更少的与环境的接触以及更高的参与者信心。此外,该团队还展示了增强型手杖的高级导航功能:室内寻路、识别和引导参与者到关键对象,以及导航一系列室内和室外挑战。

在该款智能手杖的底部,安装着一个与行李箱类似的可转动滑轮,在保持与地面接触的同时,能够引导参与者向左或向右规避障碍物。“我们希望为他们提供适当程度的温和指导,让他们尽可能安全有效地到达他们想去的地方。”科琴代弗表示。

除此之外,对于智能手杖来说,足够轻便也是一个不容忽视的要素。

弗吉尼亚联邦大学工程学院的研究人员曾表示,“在机器人手杖为现实世界做好准备之前,仍有一些问题需要解决。比如,该设备需要做得足够轻以方便用户使用。”

此次,该款增强型手杖充分考虑了这个需求,使用的尖端传感器重量仅仅只有 1.3 公斤。与此前动辄四五十斤的传感器手杖相比,不仅极其轻便,而且可以使用免费下载的材料清单和开源代码在家中自己组装,体验 DIY 乐趣。

“在家里把它焊接起来并运行我们的代码,这很酷。”斯莱德说道。

斯莱德的目标是通过结合先进的机器人设备、以人为中心的人工智能和准确的生物力学建模来改善移动性和健康。他希望开发出个性化的可穿戴设备来监控、诊断和帮助面临移动挑战的人们。

图 | 增强型手杖底部细节(来源:斯坦福大学)

而该款智能手杖也在一系列室内和室外任务中,证实其确实可以提供实质性的导航和移动性改进,并通过步行速度的增加减少视觉障碍者到达目的地所需的代谢能量。

另一方面,提高视力受损者的独立性可以为他们的身体健康、心理健康和生活质量提供具有临床意义的改善。这些先进导航功能的演示都说明了该手杖的潜力。

作为飞机防撞系统专家,科琴代弗表示:“我们的实验室专注于航空航天领域,能够将我们一直探索的一些概念应用到帮助盲人的过程中,这使我感到非常兴奋。”

不过科琴代弗也指出,“手杖目前仍然是一个研究原型,在投入日常使用之前,需要进行大量重要的工程和实验。下一步要做的是简化设计并扩大生产规模,使增强型手杖更加实惠。”

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参考:

1. Patrick Slade et al.Science Robotics 6,Issue 59(2021).

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