教育服務機械人（Educational Service Robots）是具有教與學智能的服務機械人，通常被用於進行 STEAM教育、語言學習、特殊人群學習等主題的輔助與管理教學中。區別於機械人教育中常見的產品，教育服務機械人具有固定的結構，一般不支持用戶自行拆裝。 近年來，在世界各國紛紛頒佈機械人和人工智能戰略部署的背景下，將人工智能技術和機械人運用於教育領域的實踐探索越來越多。教育機械人作為機械人應用於教育領域的代表，將成為智慧學習環境的重要組成部分。
本期的智能內參，我們推薦北京師範大學的研究報告《2019全球教育機械人發展白皮書》，探討教育機械人的創新應用途徑，以及如何設計開發能滿足各類教育服務對象需求的功能，為未來的教育機械人發展指明可能的趨勢。如果想收藏本文的報告（2019全球教育機械人發展白皮書），可以在智東西（公眾號：zhidxcom）回復關鍵詞「nc400」獲取。
教育機械人發展現狀
1、 全球教育機械人主要研究機構
在 WoS 核心合集中，1993 年至 2018 年間，與教育機械人有關的學術文獻共計檢索到了 3060 篇，最早的研究始於 1966 年，由 R. E. WHALLON 發表在《Phi Delta Kappan》的《ROBOTS IN CLASSROOM, A LOOK ATAMERICAN EDUCATIONAL FACTORY-BERGEN》。其中 2014 年至 2018 年間，與教育機械人有關的研究成果共 1404 篇，相比於 2012 年至 2016 年的文獻總量，近 5 年有關教育機械人的研究數量開始急速增多，2017 年文獻數量和被引頻次達到峰值，2018 年有所回落。
根據關鍵詞聚類分析的結果，將教育機械人劃分為 5 個類團 ：
1、 教育機械人本體研究 。 這類研究側重對教育機械人領域的核心組成部分的闡述，如「教育」的本質和目標、「人工智能」技術、「機械人學」。這類研究主要集中在教育機械人的概念、特徵、分類與相關的理論解析等方面。
2、 機械人教學角色及影響研究 。機械人教學角色及影響研究涉及的關鍵詞有兩類，一類是以「人形機械人」、「樂高機械人」為代表的機械人類型和角色研究，在這類研究中，有的研究者指出教育機械人通常扮演導師、同學和工具三種角色，也有的研究者認為機械人在教學中主要扮演學習對象、工具和同伴三種角色。
3、 教育機械人設計研究 。這類研究主要涉及「移動機械人」、「服務機械人」、「機械人設計」、「遠程操控」、「編程」等關鍵詞，這類研究側重機械人類型、設計理念。一方面，依託特定的機械人，通過一定的程序設定或設計改造，使之能實現既定的教學目標或教學功能。另一方面，研究者致力於研發和提高機械人實現教學功能的技術設計。
4、 機械人教學實踐研究 。這類研究的主要研究對象為兒童，研究內容涉及機械人課程設計、教育技術支持、機械人教學、機械人課程實踐效果、機械人教學實踐場景分析等。
5、 教育機械人應用情境研究 。機械人的應用情境包括兩個方面，一是機械人的教學應用場域研究，排名前三的場域是一般教室、專業場域和個人場域。二是機械人的適用對象研究，K-12 教育主要涉及幼兒、小學生和中學生三類人群；特殊群體適用於各種需要醫療健康幫助的患者，如自閉症兒童；高等教育主要涉及本科生和研究生兩類人群。
2、 教育機械人市場產品圖譜
從教育服務的對象及可能的應用場域出發，有兩大分析框架——產品分析框架和市場分析框架。依據兩大分析框架，全球 12 種教育機械人產品類型如下圖所示。
從市場發展現狀來看，首先，教育機械人產品主要集中在家庭和學校場域中使用，如家庭中的智能玩具、兒童娛樂教育同伴、家庭智能助理；學校一般教室與專用教室的遠程控制機械人、STEAM 教具；專用教室或培訓機構的自閉症特殊教育機械人。其次，部分產品仍處於概念性階段，如課堂機械人助教、機械人「教師」，這類產品的功能設計仍需要市場的驗證。再次，公共場所的教育機械人產品主要涉及安全教育功能。最後，專業培訓上的教育機械人發展顯示教育機械人應用在各領域的潛力，如工業製造培訓、手術醫療培訓、復健看護等。
分析來自全球市場的 40 個產品，並依據產品的使用場域及扮演角色 ，可得到目前全球市場上 12 類產品應用情境 ，如下圖所示，
根據市場情況的分析，可以得出以下結論：第一，以教育資源為基礎，發展有針對性的教育服務功能，是智能機械人佔領教育服務市場的致勝法寶。第二，綜合應用科學、技術、工程、藝術與數學知識的新型機械人，將會成為更受歡迎的 STEAM 教具。第三，恰當的本體和外觀形態是教育機械人獲得使用者信賴的基礎，也是教育機械人能夠勝任日常教育服務活動的基礎。第四，機械人的可操控性，影響着其被用戶接受的程度。
豐富的角色與廣闊的應用
1、 教育機械人的需求內容與實現時程
教育機械人可扮演的 17種角色：機械人「保姆」、機械人生活夥伴、機械人生活「助理」、機械人健康「助理」、機械人學習「助理」、機械人學習夥伴、機械人學習顧問、機械人教具（玩具）、機械人「教師」、機械人助教、機械人「助理」、老人陪伴員、機械人監護員、機械人安全教育員、機械人社會服務人員、智能家庭管控、智能教室管控。由此可見，教育機械人可深度融入以家庭和學校為主的各種教育場域，為各類用戶提供豐富的教育服務。
從需求內容來看，絕大部分集中在學生日常生活和學習中的陪伴與協助，此外，還包括特殊兒童的輔助、幼兒的看護、老人的陪伴、教師和家長的輔助等。以人機交互技術、機械人視覺技術、情境感知技術在內的 3 個關鍵技術的成熟度作為需求時程定義的準則，可確定各種角色功能中的短期需求、中期需求以及長期需求，如下圖所示。
2、 教育機械人的需求分析結論
人們對教育機械人的需求意願較高 。 85% 的學生和 90% 的教師希望擁有一台教育機械人。學生、教師與家長都清晰地表達了對教育機械人的需求，並對教育機械人使用持積極態度。
英語教育與機械人教育是各學段學生都適用的需求 。從現在機械人的發展現狀看，利用教育機械人輔助學生學習英語，確實有利於發揮教育機械人功能，又能滿足部分學生學習英語的需求。伴隨人工智能、編程教育、STEAM 教育的興起，絕大部分的教師和學生都希望掌握與機械人相關的知識，因而多個群體都提出了機械人教育的需求。
適用家庭的需求明顯多於適用學校的需求 。在教育機械人扮演的 17 種角色中，除了機械人社會服務人員只是適用於社會公共場所外，其他角色幾乎都具備部分適用家庭場域的特性，也就是說單純只是適用於學校場域的角色類型非常少，只有機械人助教和智能教室管控兩種角色。
與學生進行對話和情感交流的需求較為突出 。 多個群體都清晰地表達了希望機械人能夠成為學生知心夥伴的需求，其中使用了諸如聊天、說心裏話、疏解
心理壓力、進行心情陪伴、與學生情感交流、對學生進行心理健康輔導、調控情緒、做學生的心靈導師等陳述。
對教育機械人按教學規律實施教學的需求較為突出 。 輔助學生的學習或教師的教學在所有需求中佔據絕對重要位置。在這些需求中，不僅提出教育機械人需要具備強大的知識儲備、能對學生進行答疑解惑、實施部分課程的教學等，還對機械人應掌握教學規律提出了要求。
人們的需求是教育機械人未來的發展方向 。 整體上看，學生、教師和家長提出了較多的需求，其中的少數需求內容已經在部分教育機械人產品上有所體現，
而大部分需求還未能有效實現。學生、教師和家長提出的教育機械人需求，代表了未來教育機械人的發展方向。
專用教育機械人探索之路
1、 教育機械人的關鍵技術
教育機械人未來發展的三項關鍵技術：人機交互、機器視覺、情境感知。
人機交互 。人機交互（Human-Robot Interaction）主要是研究人和機械人之間的信息交互或對話，是與認知心理學、人機工程學、語言學、社會學、計算機科學等密切相關的綜合交叉學科。人機交互是智能服務機械人時代的前沿性、關鍵性技術，教育機械人作為智能服務機械人在教育領域的典型應用，其教育服務功能的設計與開發同樣離不開人機交互技術。
機器視覺 。機器視覺（Machine Vision）是利用機器代替人眼來進行各種測量和判斷的技術。發展機器視覺技術可以為機械人建造視覺系統，如同人類視覺系統的作用一樣，使機械人能以智能和靈活的方式對其周圍的環境作出反應。在教育領域中，如何識別教學場景，開發更具教育適應性的機械人，應成為教育機械人廠商重點關注的問題。
情境感知 。情境感知（Context Awareness）是指在進行決策時，使用當時的各種補充信息對決策進行改進，以確保做出能夠支持動態變化的商業和 IT 環境的正確決策。在某些研究領域，情境感知被作為分享、反思、協作的方式。從教育角度出發 , 機械人需要在動態、未知、非結構化的複雜教育環境完成不同類型的教育服務，這就對教育機械人的情境感知技術提出了更高的要求 。
2、 教育機械人設計現狀
教育機械人本體設計與研發還處在初級階段 。教育機械人的本體還未形成系統化的設計方案，在架構、總線、通訊、接口、標準等方面都還沒有形成規範；
此外，教育機械人的本體設計還未形成與計算機、手機等類似的規模效應；再者，屬於基礎性研究的內容還只是零星地出現在相對獨立的技術環節中，不足以支撐起整個行業的突破性發展。
應用場景分析是教育機械人設計的起點 。教育機械人的設計與研究有兩種發展取向：一種是以科學研究為導向，一種是產品生產為導向。無論是哪種取向的設計與研究，要想教育機械人能進入教育服務的應用實踐中，都需要先進行應用場景的分析，根據應用場景中存在的需求，進而確定該場景下需要實現的功能，以及可能的實現方法。
智能化是教育機械人設計的着力點 。未來 10 年，人工智能將成為最具顛覆性的技術，提升智能類技術的服務體驗將是教育機械人設計的着力點。教育機械人的智能化表現為在人機交互、機器視覺、情境感知等技術的支持下，應該具有能動地滿足不同人群各種教育需求的屬性。
模塊化設計是教育機械人本體設計的趨勢 。與計算機、手機等電子設備相比，機械人的本體結構還沒有形成規範，更主要的特點是，機構件、硬件的設計需要匹配機械人的外形。採用模塊化的方法將教育機械人設計成多個有機的模塊，利用必要的通訊協議、接口進行信息和控制命令的傳遞，比較適用於教育機械人的本體設計。
教育機械人智能設計中通常採用堆疊的方法 。 一方面，教育機械人的智能本質是人工智能的應用，其中又包含了多種智能成分，而各種智能成分之間還沒有形成體系化，堆疊智能是目前來講比較有效的方法。另一方面，機械人的智能在一定程度上等同於機械人的運算能力，而教育機械人實現智能的運算中包含了太多的運算要求，提升機械人智能的一種途徑就是為機械人設計各具 AI 功能的模塊，將運算力要求分散到各個模塊中，以降低對於主 CPU 運算能力的壓力。從一定角度講，利用分佈式多 CPU 的模塊化結構，增強機械人運算力的方法，也是一種堆疊智能的方法。
教育機械人有待發展更多的教育適用性智能 。雖然教育機械人不會代替教師的教學功能，但是若使教育機械人更勝任教育服務，一方面是提升教學效率，另一方面需要在功能上進行突破。在這個過程中，教育機械人需要在教室、家庭這兩個最能體現教育服務特性的場景中具備更強更多的功能，展現其可能的應用價值。
教育機械人產業現狀： 齊頭並進的七層鏈條
1、 教育機械人產業鏈框架
通過調研教育機械人產業相關的廠商現狀，針對教育機械人產業的未來發展趨勢，以成熟發展的平板電腦產業鏈為參考，教育機械人的 7 層產業鏈框架圖，如下圖所示。
教育機械人與工業機械人相比，在形態、構成和功能上更加複雜，加之發展時間較短，仍然處於早期的創業探索階段，教育機械人的 7 層產業鏈中的企業並非嚴格的上下游關係，部分企業同時具備多種角色。
在教育機械人的 7 層產業鏈框架中，「AI 芯片製造商」提供機械人所需的人工智能芯片，這是實現機械人智能的基礎；「硬件製造商」提供組成機械人的主板、控制板、舵機、傳感器、通訊模塊、底盤移動機構、電源等各種零部件的製造、組裝及測試；「系統平台開發商」開發與管理軟、硬件資源的系統平台，提供人機互動最重要的自然用戶接口（Natural User Interface，簡稱 NUI）；「應用服務提供商」基於系統平台，開發包括教與學課程在內的各種教育服務功能軟件，並由「內容供應商」提供教與學過程中所需的內容；「系統集成商」負責將市場需求與軟、硬件功能整合成一個最終產品；「渠道商」通過各式實體與虛擬銷售渠道，將產品傳遞到最終消費者或使用者。
2、教育機械人產業鏈的發展
隨着市場需求具體化、技術發展逐漸成熟、生產成本降低，市場會自發形成多樣的競爭與合作關係，以滿足多變、多樣的市場需求，進而也會引發產業鏈的變化，未來將有可能發展許多產業關係。
依據產業鏈的發展現狀及相似產業的發展歷程，由上游至下游可整理出以下 6 項未來產業發展趨勢。
教育機械人產業鏈形成專業分工 。教育機械人仍處於初始發展階段，目前多數教育機械人的廠商幾乎涉及研發、設計、生產、銷售等各產業鏈環節，如法國的 Aldebaran 推出 NAO。而家庭情緒智能機械人 Pepper，由 Aldebaran 廠商研發設計、鴻海富士康科技生產製造、軟銀銷售宣傳，形成產業鏈逐漸專業分工的趨勢。隨着服務型機械人市場的逐漸成熟，未來教育機械人的產業鏈將向專業分工的方向發展。
服務機械人製造技術成熟，加速教育機械人發展 。中國享有世界工廠的盛名，全球超過 70% 的玩具、50% 的手機，皆來自於中國製造。政策上，「中國製造2025」規劃中，更是將機械人列為十大重點發展領域，規劃十年期製造發展的目標。未來，隨着硬件製造商在伺服舵機、減速器等關鍵零組件的技術成熟，硬件製造的技術與成本將降低，這意味着，除與形態密切相關的機構件外，機械人的硬件產品差異化將越來越小，深入各領域應用成為發展重心，將加速機械人各種教育應用的發展。
自然人機交互將成為產業關鍵技術 。教育機械人相較於應用其他智能設備進行教與學的活動，優勢在於自然的人機互動方式，例如肢體動作、語音、圖像識別等；以及賦予機械人具有如人類思考的智慧能力。讓機械人與機械人或機械人與人之間，可以如人類般自然地感知交互，以降低學習中的使用障礙，在教育領域中有着特殊的重要作用，使自然人機交互成為教育機械人的產業關鍵技術。
教育專屬應用服務程序與內容凸顯市場產品價值 。教育機械人的優勢在於自然人機交互的設計，在形成機械人的生態體系後，第三方軟件開發商將可運用自然人機互動接口，以機械人的表情動作、感知輸入的功能，開發豐富的教與學情境的應用程序服務與內容。未來，無論教育機械人是單獨使用還是配合其他移動設備的使用，在服務機械人的市場逐漸普及方面，將吸引更多的第三方開發者加入，而專屬於教育機械人的應用服務與內容的供貨商將形成龐大的商機。
專業教育機械人成為系統集成商的藍海市場 。系統集成商除了探索機械人替代勞力工作的應用外，更有機會研發如師徒制般將傳統技藝保留、專業技術培訓等專業領域的教學應用。甚至機械人可以融入個人的生活，在生活中以做中學、學中做的方式學習各種生活技能。現今快速變動的市場，系統集成商投入專業場域的教育機械人研發，將有機會成為藍海市場。
產業鏈生態系統的競爭 。現今在機械人製造、系統平台、第三方應用程序、教育內容趨向成熟發展的同時，唯有通過緊密的合作、結盟，形成完整產業鏈的生態體系，才能足以建立產業鏈龐大的競爭優勢。因此，對於各產業鏈的成員而言，除專註於領域中技術、市場的發展，更可參考生態系統的概念發展。
未來 ， 千帆競發的生態系統
綜合市場產品、產業鏈與市場規模的分析與預測，教育機械人未來市場發展預測，如下圖所示。
1、市場規模
依據全球教育機械人的相關市場調查報告及相似產品的發展歷程，本白皮書提出包括終端消費、教育機構、教育套件與 STEAM 玩具套件市場模型 4 個方面關於教育機械人的市場模型預測。其中，終端消費、教育機構市場模型用以預估教育服務機械人的市場模型；教育套件與 STEAM 玩具套件市場模型用以預估機械人教育的產品市場規模。2019~2023 年 4 個模型的市場規模詳細預估，如下圖所示。
終端消費市場規模預估——至 2023 年將達到 3272 億美元 。教育服務機械人方面，產品相似於個人移動計算機及平板計算機的系統結構。參考以上兩個產品的發展歷程，可以發現：一項新產品從消費市場進入教育市場，平均需要 3 年時間。在平均價格下降到 500 美元的水平下，進入教育市場的前 3 年出貨量可累計達到約 600 萬台。
教育機構市場規模預估——至 2023 年將達到 24 億美元 。 參考美國 2010 年勞動力生產總額報告，服務勞動力從事教育的比率為 17%，課題組預估服務機械人能取代約 8% 的教育勞動力生產總額。據市場調研機構 Markets and Markets 統計，2016 年至 2022 年全球服務機械人將以 15.18% 的年複合增長率增長，服務機械人將形成一個新的勞動力市場。
教育套件市場規模預估——至 2023 年將達到 31 億美元 。 從機械人教育方面而言，可編程機械人作為教育套件，市場規模依據 Markets and Markets 報告統計，2018 年可編程機械人市值 18.34 億美元，Redfield Report 報告指出可編程機械人將以 11.57% 的復和增長率增長。
STEAM 玩具套件市場規模預估——至 2023 年將達到 36 億美元 。越來越多的智能玩具以 STEAM 教育作為設計理念，根據 Infiniti Research（2014）報告顯示，全球玩具市場未來將以年複合增長率 4.17% 速度增長。Toy Industry Association 的報告顯示，擁有 STEAM 教育作用的產品約佔所有玩具 3% 的營收。
基於全球教育機械人的相關市場調查報告及相似產品的發展歷程，預估至 2023 年教育機械人市場規模將達到 841億美元。其中教育服務機械人相較於機械人教育市場擁有更大的營收額，至 2022 年預估將進一步大幅度增長。此外，根據 Markets and Markets（2016）的預測，預估教育服務機械人市場的服務與內容營收，將佔整體市場 78%。
2、 未來市場競爭與合作分析
根據教育服務機械人產品的核心價值，可區分為通用型及專用型兩類。例如：兒童娛樂教育同伴、家庭智能助理、智能玩具的產品類型，機械人產品滿足教育、娛樂、看護、遊戲等多功能服務的核心價值，形成通用型的教育服務機械人。另一方面，課堂助教機械人、特殊教育機械人、醫療手術培訓機械人、機械人「教師」、工業製造培訓等產品類型，機械人產品針對教育情境提供專屬設計的核心價值，形成專用型的教育服務機械人。
通用型教育服務機械人的市場競爭，吸引足夠的第三方應用程序開發商加入。一方面，開發供給平台服務應用程序的價值。另一方面，創造更多市場上使用者的需求。當使用者的人數達到一定基數時，平台逐漸形成產業標準，並發展特有的應用程序商店，帶動產業鏈上、下游廠商的發展。此生態系的競爭，相似於筆記本電腦、智能型手機、平板計算機的發展歷程。通用型教育服務機械人市場關係發展如圖所示。
專用型教育服務機械人市場，將由渠道商與系統集成商扮演重要角色。系統集成商打造獨有品牌價值的機械人系列產品，通過渠道商推廣，成為市場上消費者的重要選擇。由教與學的需求，推動整個產業鏈內容供應商、應用服務提供商、系統平台開發商、硬件製造商及 AI 芯片製造商等的發展。這個生態系如同教育用平板、電子互動白板、智能教室等教育科技產品的發展，系統集成商將扮演解決方案提供商的角色，滿足各式教育機械人品牌商的價值需求。專用型教育服務機械人市場關係發展如下圖所示。
智東西認為，教育機械人是機械人應用於教育領域的代表，是人工智能、語音識別、人機交互、機器視覺、情境感知等技術應用在教育中應用的典型，以培養學生的分析能力、創造能力和實踐能力為目標。教育機械人未來將成為趨勢，當今社會需要具有創新意識、有創造性思維的人才，未來的社會更是如此。 至 2023 年，預測教育機械人市場將超過 3000 億美元，其中，教育服務機械人市場佔比較大，其服務與內容營收占整個市場的 77.5% 以上。教育服務機械人這塊新興的藍海市場，值得廠商攻關技術瓶頸，投入發展。 教育機械人未來將面向通用型與專用型兩類產品發展，並各自發展出獨有的產業鏈生態模式。隨着市場專註於細分領域的產品需求挖掘，在統籌布局下，企業可以將視野投向更細分的、更專用型的教育機械人產品市場上，以此進軍教育機械人的藍海市場。
本文轉自公眾號智東西，原文地址
Comments