清华科技赋能，无障碍生活触手可及
2024-05-17
清华大学无障碍发展研究院
一、引言
科技的浪潮正席卷无障碍与包容性设计领域，为特殊需求人群的生活带来革命性变化，同时也为社会的公平与融合注入了新的活力。在即将迎来第三十四次全国助残日（5月19日）这一特殊时刻，我们更加深刻地感受到科技创新对于改善特殊需求人群生活质量的重要性。本文旨在探讨这些科技创新如何重塑我们的生活方式，并借助清华大学多个突破性的创新案例，展示该领域的最新面貌及其对社会发展的深远影响。
二、设计理念与科技创新的融合
在人口结构变迁和大健康时代的大潮中，我们亟需重新审视传统发展模式，尤其是在环境、信息、产业和服务等领域。我们应以通用无障碍发展的范式为基本原则，通过大幅度提升社会韧性（Resilience）和包容性（Inclusion），确保未来几十年可持续的新型城镇化、健康老龄化、社会创新、产业优化升级转型等核心发展诉求得以实现[1]。
在这一过程中，无障碍设计、通用设计和包容性设计共同构筑了一个平等、便捷且安全的生活环境，满足所有人的需求。科技创新为这些设计理念的落地提供了强大的技术支撑和创新的解决方案。同时，这些设计理念也为科技创新提供了丰富的应用场景和市场需求，推动了技术的持续进步。
在科研机构和企业的共同努力下，全社会的科技创新成果越来越丰富。其中，清华大学多学科团队凭借其卓越的洞察力和专业能力，深入研究用户需求，基于先进的设计理念，成功打造了一系列无障碍与包容性的技术创新方案，这些成果在科技领域引起了广泛关注。特别值得一提的是，2016年在中国残联的支持下，清华大学成立了新型智库和交叉学科技术创新平台“无障碍发展研究院”，由建筑学院、美术学院、计算机系、机械工程系、社会科学学院和未来实验室联合共建。通过跨学科跨领域的深度合作与交流，已取得了丰硕的成果，为构建无障碍环境、实现社会公平与友好作出重要贡献，并为其他机构提供宝贵经验。
三、清华大学科技创新实例概览
全新视界：大幅面盲用图文显示器
作为清华大学国家重点研发计划课题成果产业化项目，核心成员主要来自清华大学多学科交叉团队。开发的视障残疾人装备将硬件、软件、内容相结合，重新定义了视障残疾人无障碍数字阅读新方式。该设备填补了世界范围内大幅面盲用图文显示设备的产业空白，是突破视障残疾人与信息时代“数字阅读鸿沟”的新一代核心信息技术基础装备。
图 毫米级盲文显示模组硬件：由数千枚微型致动器组成大幅面点阵
图 刚性需求的应用软件：高质量语料库AI训练下的汉盲转化和图文生成
大幅面盲用图文显示器的表面，由可凸起和收回的点阵组成，每个触点可独立动态上下运动，触点之间紧密排布。通过控制点阵上每一个触点的实时升降变化，可把传统的图片变成可以触摸的图形图像，呈现出类似“动态的”浮雕效果。同时该设备配备汉-盲转化算法及编辑器、海量电子书库和图库等软件内容，使盲人用户触摸这些凸起点阵所组成的盲文或触觉图形，进行知识学习和理解，极大地拓宽了盲人获取信息的渠道。
声音重塑：石墨烯智能人工喉助力语音障碍者
集成电路学院任天令教授团队开发出一款基于石墨烯的智能人工喉，将有助于语音障碍者重获新“声”。这一智能人工喉不仅集成了声音收发功能，还展现了卓越的生物兼容性，为听力和语言障碍人士提供了发声的新途径，也为语音识别与人机交互提供了新平台。此外，利用人工智能模型，石墨烯人工喉能够实现高精度语音识别与合成，并生成流畅、自然的语音。该技术具有识别喉切除术患者日常词汇的潜力，并能够初步恢复患者的语音交流能力。
图 智能人工喉制程及实物图
面对全球市场，特别是声障群体需求与声纹加密设备的空缺，人工喉市场潜力巨大。报告预测，2023年国内智能语音市场已近400亿元，至2026年有望突破近千亿元。团队还计划通过集成AI模型，使人工喉能够精准识别喉切除术患者的模糊词汇，并合成为语音播放，以此恢复患者交流能力，相关技术已达国际领先水平。
智能康复：多学科交叉引领临床康复及辅助技术革新
智能与生物机械实验室将机电控技术与医学、生物学、神经科学等多学科深度融合，面向生命健康问题研发了多项促进我国大健康产业发展所需的种子技术与颠覆性技术。已发表百余篇高水平论文、近百项授权发明专利，荣获多项国内外科技奖项，被主流媒体广泛报道。
1.首次设计出无动力储能式外骨骼机器人并应用于临床截瘫患者步行训练及辅助行走，为我国上百万截瘫患者普及外骨骼康复辅具提供了创新性技术和简单、实用产品。屡获央视等主流媒体报道，以及获得多项科技成果奖。
图 面向截瘫患者的储能外骨骼（Energy storingexoskeleton robot dedicated for patients with spinal cord injury）
2.研发了国内第一台上肢运动神经康复机器人并在十余家三甲医院临床推广应用，率先提出的训练模式及量化评价技术在国内外得到推广。被《时代周刊》评为2020国际消费电子产品展览会25个最棒产品之一（“Best of CES 2020”），并获2021年德国红点设计奖。
图 面向神经损伤患者的康复机器人（Upper limb rehabilitation robot developed for patients with neurological diseases）
3.首创用肌张力评估神经损伤患者及水肿病人神经-肌肉激活和痉挛状态的量化评测技术与临床设备。这一技术已得到国内十余家三甲医院的认可与采购。
图 肌张力测试仪
4.首次提出了基于康复机器人训练平台的行为科学与神经科学相融合的临床康复技术研究，并成功开展了研究实验。这项研究为有效缓解痉挛、提高临床康复训练效率，以及开展个体差异性康复训练提供了创新性的方法。
图 气动肌肉局部振动设备及软体手指牵拉外骨骼
5.首次成功设计出具有自主知识产权的专为坐式和站式越野滑雪运动员设计气动辅助室内模拟器。它支持运动员进行阻抗训练和撑杆力测量，同时固定位滑行设计便于精准采集训练动作数据。目前，该装置已部署于中国残疾人体育运动管理中心，为运动员提供训练支持及研究用途。
图 面向冬残奥室内越野技能测试和模拟训练的气动模拟器
科技之光：人工脊髓技术为截瘫患者照亮前行之路
清华神经调控国家工程研究中心与北京清华长庚医院团队在脊髓损伤领域取得重大突破。自2021年起，他们联合开展临床试验，成功将人工脊髓系统植入截瘫患者体内，帮助其重获行走能力。该技术通过在患者脊髓硬膜外植入高密度刺激电极阵列，并对脊髓区域与下肢和躯干运动相关的神经进行基于空间-时间编码的节律性序列刺激，恢复神经环路功能，重新构建运动指令。人工脊髓系统智能调控，实时优化调控策略，患者经康复训练后逐渐恢复了自主运动功能。这一创新技术为脊髓损伤患者带来了康复新希望，展现了科技在医学领域的巨大潜力。
图 术后6个月，患者在人工脊髓系统帮助下重建行走功能
此技术不仅为患者开辟了新的康复之路，更在全球范围内处于领先探索阶段。这一创新疗法的成功实施，为我国370多万脊髓损伤患者带来了新的希望，标志着医学与科技的深度融合，在提升国民健康水平的道路上迈出了坚实的一步。
脑机突破：无线微创脑机接口引领神经康复新方向
医学院洪波教授领导的团队在脑机接口领域取得突破，成功研发无线微创植入脑机接口NEO，并在宣武医院团队为一例高位截瘫患者成功实施了临床植入试验，将两枚硬币大小的脑机接口处理器植入患者颅骨，成功采集感觉运动脑区神经信号。
图 无线微创植入脑机接口NEO系统及其体内机（设计合成 洪波）
该系统无线微创设计，体内机安全埋入颅骨内，电极无损覆盖在硬膜外（硬膜位于颅骨和大脑皮层之间，起到保护神经组织作用），不损伤大脑细胞，术后患者无需长期住院。居家时，体外机隔头皮供电并接收脑内神经信号，传输至电脑或手机，经解码算法实现脑机通信。系统采用近场无线供电和通信技术，植入设备无需电池，患者可终生使用。
智能输入：VIPBoard自动纠错读屏键盘优化视障体验
人机交互团队推出的VIPBoard智能键盘，有效解决视障用户在使用触屏软键盘时面临的问题。现今的触屏软键盘，虽具备自动的词纠错功能，但视障用户因依赖读屏软件（如TalkBack、VoiceOver）而需逐字符输入，涉及繁琐的摸索与确认步骤。因此，读屏键盘缺失词纠错能力，导致视障用户的文本输入速度极慢（不足5词/分钟）。而VIPBoard在不改变交互方式的基础上，提升了算法能力，帮助视障用户解决了这一问题。
图 视障用户输入“hell”后，欲输入“o”的示例:(a)(b) 传统读屏键盘上，用户常点错位置，需校准，耗时；(c) VIPBoard预测“o”并自动调整键盘布局，无需用户校准；(d) 预测错误时，用户仍可移动手指输入其他字符（如“p”）
每次用户点击时，VIPBoard基于落点位置和语言模型，计算并读出最可能的键，从而节省了非目标区域的校准时间。同时，键盘布局会根据落点自动调整，便于用户输入。通过用户实验显示，VIPBoard相比传统键盘技术，在英文和中文输入上，分别减少了63.0%和60.0%的错误率，并提升了12.6%和13.7%的输入速度，极大地改善了视障用户的文本输入体验。
梦境艺术：脑电梦境情绪生成艺术系统
在梦境研究及艺术疗愈领域，未来实验室取得了显著的创新成果。通过结合睡眠科学和神经科学研究，实验室开发了一种基于脑电数据的梦境情绪生成艺术系统。该系统能够实时监测和分析个体的快速眼动（REM）睡眠阶段脑电信号，进而捕捉并解读梦中的情绪变化。利用先进的可视化编程软件，将REM期的脑电数据转化为抽象水墨画风格的艺术作品，作品中的色彩和形态反映了梦境中的情绪特征。
图 （左）被试者的梦境情绪抽象艺术生成，（右）脑机绘梦系统生成的艺术作品
此外，未来实验室还探索了基于梦境生成艺术的疗愈方法，特别是对于孤独症谱系障碍（ASD）患者的情绪调节和心理康复。通过脑机绘梦系统，患者能够通过艺术创作来表达和沟通自己的情感世界，从而促进自我意识和自我认知的提升。这加深了人类对梦境与情绪关系的理解，为心理疾病治疗提供新视角，为艺术与科学融合下的梦境疗愈领域开辟新方向，极具学术价值和应用前景。
音乐无界：多感官跨模态工作坊创新视听障碍者音乐体验
未来实验室引领了一场颠覆性的音乐创新之旅“无障碍音乐装置设计工作坊”。该工作坊以开放共创形式，集结跨领域专家、师生及视障、听障顾问，共同探索并彰显包容性文化。两周内，团队成功研发七个突破性设计作品，融合多感官与跨模态技术，为视障和听障者开启全新音乐感知方式。部分作品屡获殊荣，展现音乐领域技术创新的无限可能。此次工作坊为无障碍环境建设及音乐创新树立新标杆，提供宝贵启示。
图 （上）部分工作坊成果 （下）最终展演现场
四、现实挑战与应对策略
尽管科技创新在无障碍与包容性设计领域取得了显著成果，但在推广和应用过程中，仍面临技术成本、普及障碍以及社会对残障人士的偏见和误解等多重挑战。为应对这些挑战，我们需要政府、企业和社会各界的共同努力，通过加大研发投入、加强宣传普及和提高社会认知度等措施，共同推动无障碍技术的广泛应用和持续发展，为老残群体创造一个更加友好的社会环境。
五、展望未来
随着人工智能、物联网等新技术的不断发展，无障碍与包容性设计将迎来更加广阔的发展空间。我们可以期待更多创新性的应用涌现出来，为特殊需求人群提供更加全面、个性化的支持。同时，这些技术也将惠及所有人群，推动整个社会向更加公平、融合的方向发展。让我们携手共进，共同创造一个无障碍、友好和包容的美好未来。
文献：
[1]邵磊.通用无障碍发展的理念与挑战——《通用无障碍发展北京宣言》侧记[J].残疾人研究,2018,(04):22-26.
[2]王韫,张为威,徐迎庆.价值敏感的智能代理：智能产品设计的社会责任思考[J].装饰, 2022(09):12-16.
[3] Wang, Y., Zhang, Y., Zhang, J.,and Li, Z.(2023) Inclusive harmonies: Co-creating accessible music experiences with deaf or blind advisors through interdisciplinary design workshop, in De Sainz, D., Galluzzo, L., Rizzo, F., Spallazzo, D. (eds.), IASDR 2023: Life-Changing Design, 9-13 October, Milan, Italy.
作者：隋康尼
案例素材：各科研团队
海报设计：林如茵
审核：邵磊
