『臺博新知』：仿生蝙蝠（四）：回聲和壓力感應的導盲帽

歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

歐陽盛芝／國立臺灣博物館

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

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。

仿生導盲帽是模仿蝙蝠回聲定位及偵測壓力感應研發（繪製者：黃正文）。

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。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。

葉鼻蝠在夜間飛行是靠回聲定位建構環境的立體地圖（圖片來源：歐陽盛芝）。

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觸覺靈敏度。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

日期：2017/07/25

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生蝙蝠（四）：回聲和壓力感應的導盲帽

資料來源：

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.

延伸學習：

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.