包容性工程— —借助工程技術(shù)發(fā)明為身體或精神障礙人士賦能

Peter T. Cummings , Pilippe M. Fuet , Miel Golfr , Mrt W.M. Jones , Mitilee Kun ,e, Jontn B. Perlin , Nilnjn Srkr ,,e, Keivn G. Stssun ,e,f, Zry E. Wrren , Krl E. Zelik ,g,k

a Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1604, USA

b Department of Electrical Engineering and Computer Science, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1826, USA

c Department of Mechanical Engineering, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1592, USA

d Department of Medicine, Health, and Society, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1665, USA

e The Frist Center for Autism and Innovation, Vanderbilt University, Nashville, TN 37212, USA

f Department of Physics and Astronomy, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1807, USA

g Department of Biomedical Engineering, Vanderbilt University, Nashville, TN 37235-1631, USA

h HCA Healthcare, Nashville, TN 37203, USA

i Department of Pediatrics, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, TN 37232, USA

j Treatment and Research Institute for Autism Spectrum Disorders, Vanderbilt Kennedy Center, Nashville, TN 37203,USA kDepartment of Physical Medicine and Rehabilitation, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, TN 37212, USA

1. 背景

借助工程學(xué)工具、設(shè)計(jì)、研究和思維創(chuàng)建社會(huì)環(huán)境和性能，提高那些因身體殘疾（如截肢或脊髓損傷）或者神經(jīng)多樣性（如自閉癥）而待業(yè)或失業(yè)的個(gè)體的生產(chǎn)力，幫助其融入社會(huì)并回到工作崗位，是范德比爾特大學(xué)和其他研究機(jī)構(gòu)數(shù)十年來(lái)潛在的研究目標(biāo)。范德比爾特大學(xué)工程學(xué)院臨近世界一流的范德比爾特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心，這使得工程學(xué)研究員與醫(yī)學(xué)研究員可以緊密合作，極大地促進(jìn)了該領(lǐng)域的進(jìn)步。該領(lǐng)域通常被歸屬為康復(fù)醫(yī)學(xué)工程（其研究重點(diǎn)是身體損傷的修復(fù)）。我們建議為其及其他相似領(lǐng)域重新歸類。這些行為旨在為有身體和神經(jīng)缺陷的個(gè)體賦能，幫助其回歸工作崗位并為社會(huì)貢獻(xiàn)力量。我們把這些行為歸為新的工程學(xué)領(lǐng)域，即“包容性工程”（Inclusion Engineering）。

雖然包容性工程學(xué)涵蓋許多現(xiàn)有的領(lǐng)域，如機(jī)械工程、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和系統(tǒng)工程，它和其他方法看起來(lái)很相似，但實(shí)質(zhì)并不相同。例如，無(wú)障礙工程學(xué)領(lǐng)域及其相近的通用設(shè)計(jì)領(lǐng)域都涉及技術(shù)原則和設(shè)計(jì)原則的運(yùn)用，目的是確保殘障人士可以無(wú)障礙進(jìn)入建筑物或使用計(jì)算機(jī)和汽車等設(shè)施。相比之下，包容性工程學(xué)的目標(biāo)更遠(yuǎn)大。它致力于全面發(fā)揮和利用個(gè)體的能力，而不僅僅是為他們提供無(wú)障礙通道。它的范圍也更廣，它既解決神經(jīng)損傷又解決身體疾病。包容性設(shè)計(jì)是一種集設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)為一體的范式，它強(qiáng)調(diào)用戶的多樣性，試圖涉及最廣闊的群體。但它與包容性工程學(xué)完全不同，盡管包容性工程學(xué)研究人員的研究工作也包括研究技術(shù)用戶的多樣性。因此，包容性設(shè)計(jì)可以被視為包容性工程學(xué)的一個(gè)組成部分，二者并不等同。

包容性工程學(xué)這一新興分支學(xué)科的出現(xiàn)，反映了社會(huì)逐步趨向于包容性。具體而言，定量研究越來(lái)越支持這樣一種觀點(diǎn)，即當(dāng)具有不同行為能力的人被充分考慮，他們的各種需求得到支持，他們的差異得到承認(rèn)時(shí)，組織、系統(tǒng)和社會(huì)的積極影響就會(huì)得到改善[1]。

我們注意到，在鋼鐵行業(yè)中“夾雜物工程”（Inclusion Engineering）一詞指的是優(yōu)化鋼中非金屬夾雜物作用的方法。我們相信，正如我們所定義的那樣，對(duì)于術(shù)語(yǔ)“包容性工程”的使用，我們總是可以從上下文中將其與Inclusion Engineering在鋼鐵行業(yè)中的使用區(qū)別開。

2. 包容性工程學(xué)實(shí)例

包容性工程學(xué)的目標(biāo)是研發(fā)、發(fā)展和部署工程學(xué)設(shè)備及創(chuàng)造環(huán)境，提高有身體缺陷和神經(jīng)多樣性的個(gè)體的生產(chǎn)力，幫助其從出生到退休能夠融入社會(huì)生活，擁有完整的人生。

范德比爾特大學(xué)包容性工程學(xué)的主要研究工作之一是幫助肢體殘障人士。在美國(guó)，有4750萬(wàn)成年人行動(dòng)不便或者有肢體殘疾。這一群體的醫(yī)療費(fèi)用每年達(dá)3500億美元，占美國(guó)成人醫(yī)療總支出的23.6% [2-4]。脊髓損傷或肌萎縮性側(cè)索硬化癥（如斯蒂芬·霍金）、帕金森病和多發(fā)性硬化癥等疾病都可能會(huì)導(dǎo)致肢體殘疾。行動(dòng)不便會(huì)導(dǎo)致人體活動(dòng)減少，進(jìn)而導(dǎo)致體能下降并引發(fā)其他健康問(wèn)題[5-7]，于是人體的行動(dòng)能力進(jìn)一步下降。這是一個(gè)惡性循環(huán)，在患者及其家人的生活中日復(fù)一日重復(fù)發(fā)生。范德比爾特大學(xué)應(yīng)用最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)來(lái)解決人體行動(dòng)不便的問(wèn)題（包括為截肢者設(shè)計(jì)的智能假肢和可穿戴式輔助機(jī)器人），其研究工作一直走在相關(guān)技術(shù)發(fā)展的最前沿，如人工智能康復(fù)動(dòng)力外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于受傷后的階段，目的是恢復(fù)人體生理功能，擺脫永久佩戴外骨骼的情況。助力型機(jī)器人可以持續(xù)地幫助具有慢性移動(dòng)障礙的人士進(jìn)行日?；顒?dòng)。防跌倒機(jī)器人在人體摔倒時(shí)提供保護(hù)，避免人體因跌倒而造成嚴(yán)重?fù)p傷。范德比爾特大學(xué)已經(jīng)把自己設(shè)計(jì)制造的IndegoTM外骨骼機(jī)器人授權(quán)給工業(yè)企業(yè)派克漢尼汾（Parker Hannifin），該企業(yè)建立一個(gè)部門來(lái)生產(chǎn)和銷售外骨骼機(jī)器人。該機(jī)器人已獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的上市批準(zhǔn)。范德比爾特大學(xué)的外骨骼研究建立在對(duì)機(jī)器人技術(shù)、智能系統(tǒng)、控制、傳感、測(cè)試和改進(jìn)[8,9]及獨(dú)立評(píng)估[10]等長(zhǎng)達(dá)十多年研究的基礎(chǔ)上。這項(xiàng)研究由康復(fù)工程與輔助技術(shù)中心領(lǐng)導(dǎo)，研究的未來(lái)目標(biāo)包括提高設(shè)備運(yùn)動(dòng)的自然度、減輕設(shè)備重量和體積、降低設(shè)備成本等。

范德比爾特大學(xué)包容性工程學(xué)的另一個(gè)研究重點(diǎn)旨在解決患有神經(jīng)多樣性個(gè)體的需求（如自閉癥譜系人群）。大約每六個(gè)人中就有一個(gè)人患有神經(jīng)發(fā)育障礙[11]，也就是說(shuō)在美國(guó)就有5000多萬(wàn)人患有該疾??；更具體地說(shuō)，在美國(guó)每54名兒童中就有1名患有自閉癥譜系疾病[12]。神經(jīng)多樣性人士通常難以完成一些日常工作，而這些日常工作可能是成年人有機(jī)會(huì)從事生產(chǎn)性工作的關(guān)鍵，例如，學(xué)習(xí)駕駛汽車或者勝任對(duì)社交能力要求高的工作。從另一方面來(lái)說(shuō)，這類人士可能比神經(jīng)典型發(fā)育人士能夠更敏銳地捕捉到視覺(jué)特征[13]，這構(gòu)成了神經(jīng)多樣性人群能夠勝任特殊職業(yè)的基礎(chǔ)，條件是他們的見解能得到支持[14]。范德比爾特大學(xué)對(duì)支持神經(jīng)多樣性人士的能力進(jìn)行了廣泛的工程學(xué)研究，例如，設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的駕駛模擬器，旨在向患有自閉癥的青少年和成年人傳授駕駛技巧[15]，另外，建立并研究基于視覺(jué)圖像的人工智能系統(tǒng)，以便更好地了解神經(jīng)多樣性人群處理信息和體驗(yàn)周圍世界的方式[14,16]，此外，他們還設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)的分布式虛擬空間，這種虛擬空間允許多個(gè)用戶彼此交互并進(jìn)行虛擬物品交互，以保證靈活、安全的（自閉癥兒童不易做到的）社交互動(dòng)[17]。該領(lǐng)域未來(lái)的許多研究將在新成立的Frist自閉癥與創(chuàng)新中心的支持下進(jìn)行。

范德比爾特大學(xué)包容性工程學(xué)部分研究工作如圖1所示。

圖1. 范德比爾特大學(xué)包容性工程學(xué)研究工作示例（圖片來(lái)源于范德比爾特大學(xué)）：（a）研究人員正優(yōu)化下半身外骨骼；（b）范德比爾特大學(xué)研發(fā)的駕駛模擬器，幫助患有自閉癥譜系的年輕人學(xué)習(xí)駕駛技能，學(xué)員身上的監(jiān)視器監(jiān)控學(xué)員生理反應(yīng)和對(duì)道路的注意力情況。

3. 影響

包容性工程學(xué)的最大影響也許是它可以在個(gè)人獨(dú)立方面和經(jīng)濟(jì)獨(dú)立方面為殘障個(gè)體提供無(wú)形收益。包容性工程學(xué)也可以通過(guò)將費(fèi)用轉(zhuǎn)化為價(jià)值，為社會(huì)提供可觀的經(jīng)濟(jì)效益。例如，美國(guó)行動(dòng)不便或者患有嚴(yán)重身體殘障的成年人有4750萬(wàn)，每年的醫(yī)療保健費(fèi)用約為3500億美元[2-4]，而目前使用外骨骼輔助設(shè)備的人只有0.02%左右。如果開發(fā)出更輕便、更自然、更智能的外骨骼設(shè)備，并且其使用率能夠達(dá)到10%，則費(fèi)用可節(jié)省多達(dá)350億美元。在美國(guó)，撫養(yǎng)一名自閉癥譜系障礙者的平均費(fèi)用在120萬(wàn)～240萬(wàn)美元之間[18]，其中費(fèi)用最高的是居家治療、配套的生活設(shè)施和個(gè)人生產(chǎn)力損失。英國(guó)的情況類似。假設(shè)美國(guó)7400萬(wàn)17歲以下的兒童中每54個(gè)人就有1個(gè)人（即137萬(wàn)）患有自閉癥譜系疾病，那么全部費(fèi)用將在1.5萬(wàn)億～3萬(wàn)億美元之間。在包容性工程學(xué)研究的幫助下，有10%的個(gè)體將不再需要財(cái)政支持，這將節(jié)省2000多億美元。包容性工程學(xué)不僅降低了與該病相關(guān)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，還為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)提供了以前未充分利用的勞動(dòng)力，將費(fèi)用轉(zhuǎn)化為價(jià)值。由此可見，包容性工程學(xué)的潛在社會(huì)影響力是巨大的。

4. 總結(jié)

包容性工程學(xué)是工程學(xué)下的一個(gè)新興的分支學(xué)科。它旨在為身體狀況、精神狀態(tài)、智力水平不同的個(gè)體設(shè)計(jì)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，輔助其參與到工作或社交活動(dòng)中。這個(gè)工程學(xué)新分支學(xué)科的關(guān)鍵特性包括兩方面：一方面是各個(gè)開發(fā)階段（從構(gòu)思到設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)）的意向性；另一方面是持續(xù)的學(xué)習(xí)性，以確保其適應(yīng)性功能完全滿足其包容性目的。當(dāng)然，包容性工程學(xué)的核心特性是包容性，它不僅代表著多樣化時(shí)代的公平道德責(zé)任，而且有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)于科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，包容性工程學(xué)代表著社會(huì)形式的轉(zhuǎn)變。正如庫(kù)恩（Kuhn）描述的那樣[19]，傳統(tǒng)上的哲學(xué)突破并非孤立地發(fā)生，而是發(fā)生在允許重新考慮解釋和建設(shè)性適應(yīng)（constructive adaptation）的語(yǔ)境中。我們即將進(jìn)入21世紀(jì)第三個(gè)10年，在這個(gè)背景下，我們所處的環(huán)境排斥任何形式的差異，不再容忍那些不“正確”的東西。因此，這一新興的工程學(xué)分支學(xué)科打破了傳統(tǒng)，它認(rèn)為那些把多樣性排除在外的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或建成環(huán)境設(shè)計(jì)從根本上來(lái)說(shuō)是不完整的。此外，它認(rèn)為在當(dāng)前環(huán)境下針對(duì)能力多樣性構(gòu)成的挑戰(zhàn)需要采用適應(yīng)性工具進(jìn)行解決，讓人們能廣泛地成功參與到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)中。

Acknowledgements

Inclusion Engineering research has been supported at Vanderbilt University over several decades by the US National Institutes of Health, the US National Science Foundation, and the US Department of Defense. It has resulted in spin-offs of multiple small companies and the licensing of intellectual property to various companies. More recently, support has been provided by US National Science Foundation (OIA-1936970) and a Howard Hughes Medical Institute professorship award. Generous philanthropic endowed support from Jennifer R and William R. “Billy” Frist is acknowledged in establishing the Frist Center for Autism and Innovation.