導語：2025年3月12日，《科學·機器人學》雜志發布《社交機器人作為對話催化劑：增強家庭內長期人機互動》（Social robots as conversational catalysts: Enhancing long-term human-human interaction at home），文章探討了社交機器人在多人互動中作為“對話催化劑”的潛力，尤其關注其在家庭環境中促進長期人際互惠互動的作用。啟元洞見編譯文章主要內容，旨在為讀者了解社交機器人在親子互動的重要作用提供參考。

一、引言

隨著人工智能技術在教育領域的廣泛應用，社交機器人作為促進高質量親子互動的一種有前景的手段，日益受到關注。探索機器人在親子互動中的融合方式，尤其是它們對對話交流動態的影響，對于實現教育干預目標至關重要。此類技術干預不僅有望解決教育方面的挑戰，還能豐富父母與孩子之間的互動形式。

為了探討社交機器人在增強親子對話互動方面的潛力，本研究確定了三個相關的研究子領域：親子對話互動、多人兒童—機器人互動以及多人場景中的機器人行為設計。接下來的三個小節將介紹這些子領域的最新研究進展及其局限性。

二、實驗概述

本研究開展了一項涉及71個家庭的組間實驗，將參與者隨機分配至三個實驗組別：對照組、固定策略機器人組和策略切換機器人組，如圖1所示。無論所屬組別，每個家庭都完成了一個包含六次對話互動環節和六段4分鐘對話閱讀理念教學視頻的對話式閱讀課程。本研究之所以為所有家長統一提供教學視頻，是為了排除家長對對話式閱讀知識的掌握程度這一潛在干擾因素。

圖1 顯示評估前/后評估、帶機器人交互的六節對話課程和最終訪談的研究時間表

在兩個實驗組中，家庭與一臺主動參與對話共讀活動的機器人進行互動；相比之下，對照組中的機器人則不參與互動，僅作為一個傾聽者。兩個實驗組的區別在于：固定策略機器人在每次對話中只展現一種特定的角色—風格行為策略，而策略切換機器人則在每次會話中輪換使用六種不同策略。

（一）機器人在親子對話互動中的主動參與設計

在固定策略和策略切換機器人組中，機器人的主動參與包含兩個行為維度：機器人支持角色和交流風格（圖2）。在親子對話閱讀場景中，機器人被設定為三種支持角色：示范者（demonstrator）、主持者（moderator）和玩伴（playmate）；交流風格則包括語言型和非語言型意圖。

圖2 機器人角色式策略，六種策略結合了三種角色和兩種溝通方式，適用于多人互動

示范者機器人作為引導者，提出高質量的對話問題；主持者機器人提醒親子對故事進行有創造性的交流；玩伴機器人則作為孩子的玩伴，展現出與孩子相似的好奇心和閱讀興趣。

在非語言交流風格中，機器人通過眨眼等非語言信號表達發言意圖，并在獲得親子許可后才加入交流；而語言交流風格的機器人可直接主動加入親子對話，不需提前表達發言意圖。這種組合產生了六種獨特的行為策略，如“語言型示范者”或“非語言型玩伴”。

固定策略機器人每節課固定展示一種行為策略，確保六節課中涵蓋全部六種策略；策略切換機器人則在每節課內動態輪換使用六種策略，旨在提供更有針對性和更具吸引力的互動體驗，可能比固定策略方式帶來更積極的親子互動效果。

（二）研究問題

1.RQ1：機器人主動參與如何影響親子在機器人引導互動過程中的即時對話行為？

2.RQ2：機器人輔助的對話課程對課程結束后親子之間（無機器人參與）對話行為有何影響？

3.RQ3：機器人輔助的對話課程在母語家長與非母語家長家庭中對親子對話行為的影響是否存在差異？

三、討論

（一）RQ1：通過機器人互動增強親子對話動力

兩種類型的主動型機器人都顯著提升了親子之間的對話時間，尤其家長在對話中的投入相較于閱讀時間有顯著提升。家長的對話行為提升更為顯著，在有機器人參與的場景下，兒童的對話行為則未表現出顯著提升。

進一步分析顯示，在機器人參與活動的前15分鐘內，親子組合更少地進行被動閱讀。這種閱讀時間的減少主要是由于家長行為的變化，而非兒童。需要注意的是：活動前15分鐘閱讀時間減少并不意味著整體閱讀量減少，而是表明閱讀速度變得更慢，故事完成的速度與無機器人參與的場次基本持平。

這些發現回應了人們對機器人可能會“削弱”親子對話機會的常見擔憂。相反，結果表明機器人有助于提升親子對話質量，通過激發家長更積極的對話參與，從而豐富親子互動內容，而不僅僅是被動地進行文字閱讀。

（二）RQ2：評估機器人互動對親子對話質量

的長期影響

在課程結束后，所有親子組合的對話質量都有所提升，所有對話質量指標得分均有增長。無論機器人是否參與共讀過程或參與方式如何，這種積極影響在所有實驗條件中均有體現。

這說明本研究設計的對話式閱讀課程在提升親子對話質量方面具有普遍效果，即便機器人不再參與，家長與孩子之間的對話行為仍然得以改善。

進一步分析顯示，在行為改善幅度上，主動型機器人組與無機器人組之間，或固定策略機器人組與策略切換機器人組之間，并無顯著差異。這可能與每對親子組合獨特的多種因素交織有關，例如語言障礙或學習困難等問題，這些因素的影響可能超過機器人參與形式的影響。

當不考慮家庭背景等個體差異而進行整體分析時，這些個體差異因素可能“抵消”了不同機器人風格可能帶來的改善差異，因此在群體層面上未表現出顯著差異。

（三）RQ3：基于家長英語能力的親子對話質量

改善差異

家長的英語熟練程度顯著影響了不同條件下對話質量的改善，特別是在輪流發言和家長發言比率方面。數據中呈現出一致的模式：與固定策略機器人相比，非英語母語家長的親子組合在與策略切換型機器人互動時受益更多；而英語母語家長的親子組合則在與固定策略機器人互動時表現出更大優勢。這表明，在策略切換型與固定策略機器人之間，家長英語能力對行為積極變化的調節作用呈現出方向上的差異。

當親子組合未與機器人互動時，英語熟練程度對行為改善的影響在英語母語和非母語家庭中并無顯著差異，這一結果進一步支持了策略切換型與固定策略機器人條件下觀察到的調節關系差異，是由于機器人在互動中改變行為策略所致。

在與固定策略機器人互動時，親子組合需要適應機器人預設的互動模式，而這對非母語家長而言可能較為困難。他們需在使用非母語進行交流的同時適應機器人固定的對話節奏，增加了認知負擔。相反，策略切換型機器人可根據親子組合的實時行為靈活調整自身策略，這種適應性可能尤其有利于非母語家庭，從而解釋了不同用戶群體在兩種機器人互動條件下所表現出的改善差異。

這些發現強調了機器人系統互動設計靈活性的重要性，特別是在面對那些可能在以英語為中心的對話閱讀策略中遇到困難的非母語家長時。例如，策略切換型機器人可以一開始提出高質量的對話式問題，隨后轉變為引導者角色，鼓勵更具創造性的交流。相比之下，固定策略機器人要求親子組合去適應靜態的行為模式。

本研究強調，盡管機器人干預可在所有親子組合中提升對話質量，但機器人行為的設計與實現對改善效果的程度及受益人群起著關鍵作用。此外，機器人交互風格的靈活性——如實時在多種行為策略之間切換的能力——會顯著影響哪些用戶群體能從中獲益最多。因此，在兒童早期教育及親子對話增強方面，急需開發能夠因人而異、具備針對性設計的機器人干預系統。

（四）通過機器人互動賦能家長在親子對話中的參與

在完成對話式閱讀課程后，本研究觀察到無論是在個體（家長與孩子）層面還是在整體親子組合層面，交談行為均有明顯改善。這種改善主要源自家長行為的變化，突顯了家長參與的重要性。RQ1的發現進一步表明，機器人積極參與時對家長交談行為的影響大于對孩子的影響。

此外，RQ3的結果也顯示，家長的英語能力在機器人誘發的行為變化中起到關鍵的調節作用，影響了家長自身以及整個親子組合的對話動態。

這些分析結果顯示，機器人參與對家長的影響比對孩子更為顯著。本研究展示了將社交機器人設計為增強家長對話行為的有效干預手段，從而促進親子互動中積極行為變化的潛力。這一發現標志著兒童早教機器人設計理念的重要轉變。以往研究主要聚焦于家庭環境中直接面向兒童的機器人干預，常忽視家長的作用，或僅將其視為兒童—機器人互動的次要組成部分。而本研究則強調，在未來的機器人干預設計中，應以家長為中心，認識到其在兒童發展中的關鍵作用。

（五）研究局限性

首先，由于資源限制，研究僅在對話式課程開始前后各進行一次評估，這種單次評估可能不足以全面反映長期行為變化。未來研究應在更長周期內設置多個評估節點，以更深入理解干預效果。

其次，研究聚焦于結構化的對話式閱讀活動中的親子互動，未考察機器人干預是否會對日常生活中的其他家庭對話產生延伸影響。未來研究應進一步探索機器人干預對家庭整體溝通模式的影響。

最后，本研究僅涉及二人親子組合，未納入包括兄弟姐妹或其他照護者在內的更廣泛家庭生態系統。為了全面理解社會性機器人在家庭環境中作為“對話催化劑”的潛力，未來應探討其在多子女家庭及多樣家庭結構中的應用效果。

四、材料與方法

（一）實驗目標與設計

1.研究方案

本研究采用組間實驗設計，以評估在三種不同條件下的研究問題：對照組、固定策略機器人組和策略切換機器人組。對照組作為基線，用于與兩種機器人參與條件進行比較。固定策略機器人代表一種常見的短期部署機器人交互設計，在這種設計中，機器人的行為由一種固定策略引導（例如在活動中始終扮演“導師”或“學生”的角色）。

本研究將機器人放置在參與家庭中，持續時間為4至8周。每組親子對按計劃安排進行結構化課程，包括一次課程前的親子共讀會話、六次常規對話式閱讀課程以及一次課程后的親子共讀會話。每次課程持續時間通常為15至30分鐘。所有參與者使用相同的機器人系統，并統一通過安裝在機器人底座上的平板電腦閱讀故事，以確保實驗的一致性。

在六次對話式閱讀課程中，機器人交互內容依據實驗組別有所不同。在對照組中，參與者在無機器人主動參與的情況下閱讀故事。而在兩個機器人實驗組中，機器人在六次共讀課程中均主動參與親子共讀活動。

2.對話式閱讀課程

在每次對話式閱讀課程開始前，三組的家長都會觀看一段時長為4分鐘的教學視頻，內容為有效的對話式閱讀技巧。這些視頻由實驗室的教育專家制作，每段視頻均由一位研究人員講解一個具體的對話式閱讀策略，并結合實例說明。

（二）參與者

本研究在2022–2023學年間招募了86個擁有3至7歲兒童的美國家庭，在家中參與本項研究。最終，共有71個家庭順利完成了研究，15個家庭因與機器人交互無關的原因退出。

最終分析納入的家庭數量為：對照組25個、固定策略機器人組22個、策略切換機器人組24個。其中，母語為英語的家長分別為對照組18人、固定策略組14人、策略切換組14人。

（三）集成機器人系統

該集成機器人工作站由一臺名為Jibo的社交機器人、一臺Intel Next Unit of Computing微型計算機、一臺安卓平板和一臺安裝在平板上方的網絡攝像頭組成。安卓平板中運行的是一本電子書應用程序，內置20余本由幼兒教育專家和教師推薦的故事書。在每次共讀過程中，親子二人可以自由選擇任何一本書與機器人一起閱讀。

本研究的系統在自主性與靈活性之間采用了平衡設計，以保證在幼兒教育場景中互動的可靠性并減少潛在干擾因素。機器人具備較低自主性，可響應諸如翻頁等易檢測的提示，同時使用經過教育專家審校的預設語音腳本，以確保內容的準確性。本研究在設計中優先考慮了精確性、安全性和負責任的部署，而非追求高度自主與靈活，以確保機器人的互動行為可預測、適合兒童且不影響研究結果。

（四）機器人互動設計

1.機器人角色

本研究設計了三種不同的機器人支持角色，以促進親子之間的對話式互動：

（1）示范者

強調教學作用，像一位導師一樣實時指導父母如何提出對話式問題，提升他們的提問行為。

（2）主持者

作為中立的引導者，鼓勵親子發起互動而非直接引導其方向。該角色旨在激發親子之間更頻繁和多樣化的交流，提高整體共讀質量。

（3）玩伴

機器人以類似兒童的身份參與互動，通過好奇和有趣的交流方式增強親子參與感和樂趣。

2.機器人交流風格

本研究設計了兩種機器人交流風格，區分其語言交流意圖和非語言交流意圖：

（1）語言風格：機器人主動參與對話，不需征求同意即可提出問題或評論，體現出立即且主動的互動特征。

（2）非語言風格：機器人通過如眼神交流、身體轉動、身體前傾等非語言行為表達其交流意圖，只有在親子主動回應時才進行語言交流。該風格強調尊重親子互動的自主性，讓他們自行決定是否回應機器人的提示。

基于上述角色與風格的組合，本研究設計了六種獨特的“角色—風格”策略：

（1）語言—示范者

（2）非語言—示范者

（3）語言—主持者

（4）非語言—主持者

（5）語言—玩伴

（6）非語言—玩伴

（五）機器人的策略切換策略

機器人的策略切換策略基于強化學習框架，構建于本研究此前關于“動態角色切換概念框架”的理論研究以及“兒童語言學習策略切換”經驗研究之上。該計算實現使機器人能夠在實時互動過程中動態地在六種角色—風格行為策略之間切換。

（六）數據采集與特征提取

共讀環節通過機器人站集成攝像頭進行視頻與音頻錄制。錄制內容僅限于共讀活動，并由專業人員進行轉錄。轉錄文本標注了詳細的發言者身份與每輪發言的時間戳，便于對各參與者對話行為進行細致分析。

本研究從轉錄文本中提取了每次共讀中父母、兒童以及親子共同體三方面的對話質量指標，識別了有效親子共讀的三個核心維度：

1.對話式閱讀：指在閱讀故事過程中伴隨的親子討論；

2.高兒童參與度：兒童在共讀中大量參與朗讀和發言；

3.主動親子輪換發言：父母與兒童之間頻繁的發言/閱讀輪換。

據此，本研究提取了六項對話質量指標，每個群體（父母、兒童、親子對）各兩項，側重于對話持續時間及閱讀—對話互動的互動動態。同時，還提取了三方的閱讀持續時間，作為補充閱讀特征。

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轉自丨啟元洞見

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