視障新知

仿生蝙蝠(四):回聲和壓力感應的導盲帽

歐陽盛芝/國立臺灣博物館、賴婉婷/國立臺灣博物館研究組

撰文時間:2017/7/26
  德國科學家根據蝙蝠回聲定位原理,把以視覺或聽覺顯現的聲納系統,加上壓力偵測,開發出仿生頭戴式感覺裝置導盲帽(Proximity Hat),重量為300公克,外形可更換為工作帽、皮帶、或手環等多種型式,將可協助視障者行動,或應用於其他視線難辨的場所,例如充滿濃霧、濃煙、或黑暗未知的危險空間,協助消防人員和救災人員進入倒塌破損的建築物內救助受困者,也有助於洞窟探險或太空探勘等任務。由卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)貝格(Michael Beigl)教授領導的研究團隊於2015年9月在《國際可穿戴電腦研討會》(International Symposium on Wearable Computing)發表。
  
  蝙蝠能夠在夜間快速飛行活動,白天大多用後肢倒掛在樹枝、洞穴石壁、或建物中休息,是屬於翼手目(Chiroptera)的哺乳動物,分布很廣,除南極洲外幾乎遍及全球。其以優異的聽覺最為著名,口中能夠發出人耳無法聽到的超音波,當接觸障礙反射回來,再以靈敏的耳朵接收這些回聲,傳遞訊息到大腦,判斷物體的距離、方向、和形狀,分析障礙物和自己本身的相對位置,建構出活動空間的立體地圖,不但不會撞到東西,還能準確飛抵目的地和執行覓食、求偶等各項活動。
  
  仿生導盲帽具有6個長、寬為5×5平方公分的超音波感應器、電池、和壓力墊等,感應器透過短帶狀電纜連接到電源及位於磁頭頂部的處理板,整個裝置組合成可戴在頭上的帽子,並配置容易打開和關閉的切換開關。每個超音波感應器偵測頻率達每秒50次,範圍從距離幾公分到幾公尺,掃瞄所有水平方向的空間、並涵蓋各個角度的障礙物,擁有360度無障礙視線與良好感應靈敏度。碰到障礙物後回彈的聲波觸動壓力墊給配戴者頭部特定壓力訊號,根據壓力大小測知物體的遠近距離,離障礙物越近、壓力越大,得到環境的相對空間地圖,建立環境立體空間感,以防止碰撞跌倒受傷。
  
  研究團隊招募13名21-32歲、平均25.5歲的志願者進行靈敏度和感知力、迴避碰撞、空間理解、導航、及背景處理五項測試。靈敏度和感知力測試係讓受測者坐著接受不同的壓力刺激,結果偏移量非常接近理想零線,呈現很高的準確性,僅一位受測者有痛覺,因此校準所有測試的導航帽壓力值以消除差異;迴避碰撞測試讓受測者先在房間走動5分鐘習慣反應刺激後,再戴眼罩遮擋視覺進入房間,儘量走近牆壁停住、不得接觸牆面,結果最小距離為5公分,平均距離約25公分,有兩位的平均距離較大、各為47及55公分;空間理解試驗在方形房間的中心旋轉戴眼罩的受測者、使其迷失方向感,需在無碰撞情況找到敞開的門口出去,結果分辨率很低,39人次中僅有24人次於平均126秒內至少一次找到出口,部分在40秒內完成,雖然大多數受測者是沿著牆壁找到出口,但也有聽到出口傳出的聲音引導才找到,表示導盲帽不會影響使用者的聽覺。
  
  導航測試則將戴眼罩的受測者帶到L形走道的一端,根據口頭指揮前行,再轉彎走進特定的門內,結果26人次中只有22人次(85%)完成測試,僅15人次(57%)找到正確的門,平均花費時間為159秒,大部分在轉彎時迷路,無法判斷正確行進方向、且發生輕微碰撞,分析原因係快速移動時回傳的訊號延遲,致使部分受測者無法分辨牆和門的壓力訊號差異,6個超音波感應器仍有死角,受測者必須轉頭才能偵測;背景處理測試要求受測者走完全長30公尺的筆直通道、並指出經過的每一道門,過程中會出現其他行人、請受測者計算簡單的數學問題以分散注意力,結果顯示受測者對空間仍存有陌生感、而無法選擇正確行進方向,導致遲疑、停止走動,但最後經過多次碰撞後都能完成任務,平均花費192秒。
  
  測試結果顯示壓力可傳達細緻的信號,但是個人差異會影響使用經驗,尤其在陌生空間,戴上導航帽只靠幾句口頭指導無法達成任務,受測者對環境的空間理解會影響適應速度,需要更詳細映射空間導航,導航帽必須在不影響使用者步行速度的情況下,更快偵測和反應以得到更直接的體驗訊號;室內和戶外環境也有明顯差異,需要重新計算超音波感應器的最佳位置,以避免死角,達到完整覆蓋率;且當受測者沿著牆壁行走,會造成左右信號不對稱的問題,加上轉彎後如何正確定向導航、感應器故障時的備案等問題,都顯示導航帽仍須進一步優化,或於使用前施行教育訓練,應可加速使用者的適應期。
  
  研究團隊認為未來導盲帽若搭配全球定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS)與語音指導,有助於提升在陌生空間的導航效果,尤其是最新的定位技術和藍芽耳機,效果更佳。並且做為頭戴式裝置,還需要更複雜計算支援的應用,例如流動計算(mobile computing)、環境智能(ambient intelligence)、普適計算、電源管理(power management)、散熱片、軟體架構、無線和個人區域網路等整合應用;在硬體方面得研發加裝微型感應器、省電CPU、和高耐久的電源等。
  
  (以上新聞編譯自2015年9月11日發行之International Symposium on Wearable Computing會議論文)
  
  (本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)
  責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
  審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
  
  來源:Berning, M., F. Braun, T. Riedel, and M. Beigl. 2015. ProximityHat- a head-worn system for subtle sensory augmentation with tactile stimulation. Proceeding of the 2015 ACM International Symposium on Wearable Computing (ISWC), 31-38.
  
  延伸閱讀:
  
  吳中信(2005)蝙蝠的回聲定位,科學教育月刊,(276): 11-15, 27。
  Engineering 360 News Desk. 2016. Hat helps visually impaired sense proximity to objects. Engineering 360 (Powered by IEEE GlobalSpec), February 23, 2016.
  ICT News editor. 2016. Proximity hat- cap-guide for blind people. ICT News, January 30, 2016.
  Karlsruhe Institute of Technology. 2016. Feeling spaces with the “proximity hat”. ScienceDaily, January 28, 2016.
  
本文出處:科技大觀園(參考網址)
Top