緣起

「老師，怎麼辦，我們拿了第一名。」2020年7月26日晚上十點多，學生在Line那頭傳來一張照片，我看著照片中的兩人站在成功大學電機資訊學院前，手上拿著一個超級大板子，板子上面有明顯到無法忽略的80,000元獎金以及旁邊標註的創客公益組第一名，如圖一。

到底過去幾個月我們做了什麼？請看看我們的創作故事。


圖1.楊夢萍（左）與江皓全（右）參加2020第四屆創創AIOT競賽[1]，獲得創客公益組第一名的照片。

 研究點字機的起因

點字學習機，這是一個有著公益目的的題目。研究這個的起因是來自一個疑惑：明眼人使用文字作為重要的學習工具，而視障者呢？是怎麼學習文字的？有沒有我們可以協助的地方？田野調查

研究室學生正在頭痛點字學習機要怎麼進行。

某個星期三中午，透過搜尋「點字圖書館」與「台北」兩個關鍵字，我找到了臺北市立圖書館的啟明分館[2]。選日不如撞日，立刻找學生坐捷運去看看。

臺北市立圖書館的啟明分館，一樓展示區有點字書以及點字打字機。展示架上的故事點字書，是「雙語」的。這個雙語不是中文和英文，而是中文和注音點字。書中的中文下方，有打上點字的膠帶貼著。「雙語」故事書的用意，是希望家中同時有明眼孩子與視障孩子時，可以共同閱讀。或是明眼父母替視障子女朗讀。

除了點字故事書之外，展示區的點字打字機也很吸引我們的目光，就像照片給人的感覺，很重、很沉的機器。學生走過去按按看，感受一下實體。

跟入口處值班志工說，我們希望可以有點字教學的討論，於是志工帶我們到了二樓。二樓有一位女士接待我們。當我表達我們都不是視障者，無法借點字書的困境時，幸運的，這位女士說：因為COVID-19疫情的關係，原本電影欣賞的活動，剩下一些電影簡介點字本，可以給你們一人一本，而電影簡介的內容，在官方網頁上有[3]。我們拿到的點字本之一，如圖2。這位女士一邊說、一邊找官方網站給我們看，我注意到她的電腦螢幕跟一般人不同，而座位旁有一支白手杖。我跟她說，如果有一天，我們的研究有了成果，一定會把產品回饋給需要的人。

那天下午結束田野調查後，仔細觀察手上的點字作品時，驚訝於點字竟然可以雙面印刷。學生說，某幾個特定位置的點字感覺像是頁碼。回家後上網查看點字書內的電影內容時，發覺原來是位喜歡做電影講評的作者所寫的。


圖2.臺北市立圖書館的啟明分館自製的電影欣賞點字書，雙面印製[3]。

 點字規則

為了瞭解點字規則，上網搜尋，我們發現一個基本的點字，有兩行三列，共六個點[4]，這樣的組合被稱為一個「點字方」，如圖3。以點字凸起與否，作為文字的組合。換言之，有2的6次方，共64種組合。


圖3.一個「點字方」的示意圖。

如圖4，因為組合就只有64種，所以，會有相同的點位，但是意思不同的情況。例如圖四，左邊是英文字母[5]，右邊是數字[6]，可以很明顯地看出左右兩邊的點位相同。為了區分英文與數字，數字的點字會在前方加個「數符」。


圖4.左邊是英文字母，右邊是數字，可以很明顯地看出左右兩邊的點位相同

也有意思相同，但是點位不同的情況。例如圖5，左邊是中文注音的逗號、問號、句號等[7]。而右邊是英文的逗號、問號、句號等[8]。很明顯可以看出完全不同。每個國家的點字規則都不相同，這也很合理。點字在不同國家之間，也是需要翻譯的。


圖5. 左邊是中文注音的逗號、問號、句號等。而右邊是英文的逗號、問號、句號等。很明顯可以看出完全不同

研究了一陣子，可以感覺到，學習點字沒那麼簡單。根據衛生福利部統計處網站[9]上最新的身心障礙人數的公開資料可知，2011年至2019年，每年屬於視覺障礙者約56,000多人。以全台灣2,300萬人粗估，約千分之二的比例。

 學習點字的工具

我們先盤點市面上學習點字的工具，盤點後對創作作品的概念會更清晰。

1.點字板與點字筆

點字板是個有上下蓋的塑膠盒。上蓋是個有很多洞的塑膠蓋，下蓋是個有凹洞的托盤。使用時，上蓋與底板中間需要夾入一張紙，利用點字筆（大頭針）刺入上蓋的洞裡面，造成紙的背面刺出了點字所呈現的凸點。下蓋是防止紙被刺破所設計的吧。圖6為點字板與點字筆的示意圖。由於刺完點字後，手指是翻面觸讀，觸讀的方向與刺入的方向左右相反，而刺入的位置需要鏡像思考。故使用點字板時，需要先做文字轉向，再把點字鏡像。

舉例來說，一般人習慣由左往右讀。所以點字就是由右往左刺，這樣刺完將紙水平翻過來，觸讀的時候就是從左到右。例如「no」，點字位置n(1,3,4,5)、o(1,3,5)，在刺的時候，文字要在右邊刺n、左邊刺o，而且刺在鏡像後的位置上，刺入n(1,2,4,6)、o(2,4,6)，水平翻過來讀，才會呈現左邊n(1,3,4,5)、右邊o (1,3,5)。

這個點字板產品的優點是輕巧好攜帶，而且便宜。約新台幣一百元左右。缺點是難修正錯誤，不像鉛筆有橡皮擦、原子筆有立可帶。一旦發現刺錯之後，只好整個六格刺上凸點，類似塗掉錯字。


圖6.點字板與點字筆[10]

2. 點字打字機

點字打字機以柏金斯點字機為大宗，如圖7。使用點字打字機時，要先將列印紙放入點字機後方的列印區，將列印紙放入列印區前，要先將紙張固定器鬆開，放入紙張後再壓緊，紙才不會滑落。壓緊後，要先旋轉轉軸帶動列印紙，使第一行的位置來到列印器下方，之後每一次要換行時，則是往相反的方向旋轉轉軸，讓位於列印器下方的已經列印完的那一行前進，使下一行空白的部分來到列印器下方並將列印器撥回起始位置，再繼續列印。

正面總共有九個按鍵，按鍵1~6對應點字的1~6個點，使用方法是要輸入一個點字時，須同時按下六個點中所有需要凸起的點所對應的按鍵，因為按下按鍵的同時，點字機後方的列印器會將按下按鍵所對應的點同時壓在置於後方列印區的紙上，鬆開按鍵後，列印器就會直接移到下一個位置，所以必須一次按下所有點，而非一個點一個點地按；中間的按鍵7是空白鍵，最左邊的按鍵8是換行，最右邊的按鍵9是退回前一格。按鍵上方的定位撥桿則對應著列印器的位置，用於確定現在這行還剩下多少空間，夠不夠打完下一個字。也可以直接手動移動定位撥桿到想列印的位置。

點字打字機的優點是使用方式相當直觀，例如要列印「no」，點字位置n(1,3,4,5)、o(1,3,5)，直接依序按下n(1,3,4,5)和o(1,3,5)就可以，不需要像點字板那樣事先做鏡像點字思考，而且列印出來的點字很整齊。缺點是需要用力去按按鍵。而點字打字機的重量與體積雖然是勉強可以帶著走，但沒有人會想隨身攜帶。價格約新台幣三萬元左右。


圖7.柏金斯點字打字機[11]

3. 點字讀寫器

幾乎所有的點字讀寫器都是連接著電腦，除了可以讀點字，還可以寫入點字。讀寫器上方的點字打字區，跟柏金斯點字打字機原理相同，所打的點字輸入電腦後，透過軟體轉為文字。讀寫器下方有個點字觸讀區，可以檢查上方按鍵輸入的點字，也能讓電腦透過軟體將螢幕文字轉為點字，顯示在點字觸讀區。另外，有些款式內建喇叭，可以聽見輸入與輸出的點字朗讀聲，加強自主學習的反饋輔助。

以一款點字讀寫器為例，如圖8，輸入點字的九個按鍵與柏金斯點字機一樣，就不重複說明。位置10是點字的觸讀區域。這裡的點字有八點，主要原因是上面六個點是點字，最下面兩點，類似於游標，平常不會凸起，有凸起的情況，通常是需要修正某個錯字，當游標移到某個錯字，最下方兩點凸起，接著按下點字按鈕，這個點字就會修改成重新按下的點字。讓我們可以一次修正一個位置上的錯字。位置11是游標定位按鍵，每個在位置11的按鍵都對應下方位置10的一個點字方，按下11的某個按鍵，游標就會移到其正下方位置10對應的點字方，12、13分別是上一行及下一行，14是喇叭。

點字讀寫器的優點是功能齊全，可以讀、可以寫、可以聽。缺點是使用者需要具備較多的電腦知識。而且售價高，適合對點字熟悉程度高的使用者使用。點字讀寫器的重量與體積雖然是勉強可以帶著走，但沒有人會想隨身攜帶。價格約新台幣五萬元以上至四十萬元不等，跟點字方的多寡、以及那間公司的產品有關。


圖8.點字讀寫器[12]

4.點字積木訓練板

點字積木訓練板是一種在木頭上鑽出與點字方一樣排列的孔洞，然後將點字柱放入孔洞中，形成不同點字來學習，如圖9。點字積木訓練板可以練習單獨的字母，也可以練習單字，甚至句子，只要點字積木訓練板的長度夠長。這種方式的優點是任何點字組合都可以使用，也耐摔。缺點在於每次換不同的點字，都需要夾起點字積木訓練板的點字柱，重新確認位置再放入，費時又費事，而且點字柱也很容易不見。


圖9.點字積木訓練板[13]

5.可組合發聲的點字訓練板

可組合發聲的點字訓練板(圖10)，它是用事先製作好的「雙語」點字字板學習，這種字板上除了會有字母、數字及符號等等的字樣，還有其對應的點字。視障生可以直接觸摸這些點字學習，不懂點字的老師或是家長可以看見普通文字加以協助。視障生可以將點字牌排列在發聲區，以手指觸摸時，除了練習簡單的單字還可以練習聽力。

這個產品的優點在於不需要插拔點字，而是尋找到正確的點字。缺點則是由於是事先製作好的，而且每個字都只有提供一個，所以重覆字母的單字就拚不出來。發聲區也只能最多放六個點字方，超過六個字母的單字也不能練習。


圖10.可組合發聲的點字訓練板[14]

6.積木式的點字讀寫機

這是韓國發明的一款叫作Taptilo的點字學習機，如圖11。這個機器開機後，會發出語音教導使用者使用方式，然後就可以開始學習。例如：在英文字母的學習模式下，機器自動的從字母a開始，先念出「a」同時下方顯示區會凸起「a」的點字。視障生可以觸摸得知「a」的點字，然後拿起正上方的點字積木按出同樣的點字放上去，接著按下確定鍵。如果積木錯了，會發出「try again」，如果正確則會發出「great」，並進入字母「b」的教學模式。學生也可以用前後鍵選擇要學習的部分。這款學習機也可以連上手機APP，如圖12。由協助者點選要進行的課程，在APP上會同時顯示文字與點字圖形，可以更好的了解盲生的學習問題。

這個產品的優點是可以自動練習讀點字、用積木按壓輸入點字、可以聽點字發聲、可以用APP學習，優點很多。缺點則是價格有點太高，而且只有九個點字方，略嫌太少。


圖11.積木式的點字讀寫機，Taptilo [15]


圖12.Taptilo點字機的APP [15]

看完了六大類的點字產品後，我們先刪去看起來體積最大、最重的兩個，點字讀寫器與點字打字機。剩下四個做比較，如表1。根據這張表，我們決定以Taptilo當作作品的參考原型，加入中文注音這個功能，透過調整結構降低售價，以及把點字模組化，讓點字長度可以依照使用者需求增加。

表1.四種較易攜帶的點字產品比較

 點字創作的過程

我們參考Taptilo的使用方法，預想創作作品的使用流程為：老師或家長用APP選好要練習的點字模式，例如觸讀，則產品主機的觸讀區依據輸入練習的文字、數字或樂音等等，自動讓點字凸起。視障生以手指觸讀後，辨識完畢，拿起觸讀區上方點字積木，依照觸讀的排列壓按在積木上。接著將積木放回主機，按下主機上的確認鍵。主機自動回饋正確與否。如圖13。


圖13.預定創作產品的使用流程

接下來，我們要利用3D印表機去創作積木點字。市面上有很多3D印表機，採購前有一點是需要考慮清楚的：「開放式或是封閉式」。因為我們研究室不大，人走來走去難免碰撞，封閉式的3D印表機較能避免碰撞，避免干擾列印品。同時，列印的材料，我們選擇玉米澱粉製成的PLA[16]，製作過程產生的氣體無毒，不需要特別加買空氣清淨機或是額外考慮排風管之類的。製作雛形時，這樣的設備就足夠。還有，每家廠牌的3D印表機都有其搭配的軟體，也有設定技術與限制，採購3D印表機時，再加購資深工程師到研究室講解操作技巧，我覺得完全的物超所值。講完之後，學生們迅速的開始測試，節省了很多摸索的時間。

熟悉3D印表機之後，學生開始使用AutoCAD軟體[17]繪製想要的點字積木。我們使用的3D印表機是Adventure3[18]配合的軟體是FlashPrint [19]，先依照工程師教的設定列印細節，把圖形檔案拷貝一份到3D印表機，放入PLA線材，按下開始，就可以等著所畫的物品被印出來。印完拿出來，去除支撐材之後，把設計的點字的每個小零件組合起來，就完成了，如圖14。


圖14. 製作點字積木流程圖

這個點字積木外殼的大小，是參考台灣的麻將牌。做了幾次點字位置的微調之後，最後決定了點字積木的寬度為24 mm，長度為40 mm，高度為10 mm。為了使用者的安全與點字柱施力方便，修改了幾次造型，最後將上蓋角落改為圓弧的，避免尖角刺到使用者。下蓋內部長邊前後端設計成弧形的，讓點字柱施力可以很順暢，如圖15。


圖15.點字積木外殼的設計。大小是參考台灣麻將牌的大小

整個積木設計分成五層，由上而下分別為：上蓋、鐵片、點字柱、鐵片、下蓋。其中，點字柱是由點字上柱與下柱中間夾著一個圓形磁鐵。這樣的設計是為了讓點字按壓時需要稍微用力，而且讓使用者聽到點字柱與鐵片吸在一起時，有個小小聲「啪」的聲音，讓視障者更加確定壓下去了。


圖16.點字積木的內部結構圖

測試按壓力道時，有三個部分可以特別強調。第一個是決定點字柱磁鐵的磁力強度。因為研究室剛好有兩種小磁鐵，於是各做幾次吸力測驗，效果以2500高斯的那個2 mm磁鐵較好，於是挑了這款磁鐵作為點字柱的夾心。第二個是軟磁鐵和鐵片的選擇。一開始我們用軟磁鐵，因為容易做雷切，但是吸力不夠強，換了製作時要手工切、比較麻煩的鐵片後，吸力效果比較好，於是改為鐵片放上下層。而積木上層的厚度，也是為了吸力做兩種厚度的測試，最後測出10 mm的吸力比較好。比較資料如表2所示。

表2.測試按壓力道，挑選較佳材料與積木上層厚度


點字積木完成後，學生用了Arduino[20]、按鈕和位移暫存器(74HC595)[21]，藉由麵包板和單芯導線做電路連結，如圖17。

其Arduino程式設計原理為Arduino發出1的訊息到位移暫存器(74HC595)，位移暫存器依序傳輸1的訊息到按鍵，按鍵連接Arduino接收訊息的A0腳位。若按鍵有按下，Arduino就會接收到1的訊息，反之則是0。Arduino依序接收到的0和1的訊息，每六個組成一個2進位數字。讀取一個2進位數字，就是讀取到一個點字。


圖17.點字積木的訊號讀取設計。用了Arduino、按鈕和位移暫存器。藉由麵包板和單芯導線做電路連結

為了顯示出接收到的點字，學生再用了Arduino、LED和位移暫存器，藉由麵包板和單芯導線做電路連結，如圖18。

其Arduino程式設計原理為因為一個點字對應一個2進位數字，所以Arduino接收到後依序發出0或1的訊息到位移暫存器(74HC595)，位移暫存器依序傳輸到LED燈，接收到訊息為1則輸出電流，讓LED發亮，為0則不會輸出電流，LED不發亮。


圖18.點字積木的訊號顯示設計--用了Arduino、LED和位移暫存器，藉由麵包板和單芯導線做電路連結

測完點字積木的讀取與顯示功能後，接著我們利用壓電材料與線圈這兩種材料通電的反應，比較哪一種當作點字凸起顯示較佳。壓電材料，我們選了PZT材質試試[22]。因為PZT壓電材料需要搭配高電壓，所以我們利用牆上110V交流電加上橋式全波整流模組[23]提供壓電材料電源，搭配麵包版和單芯線組成電路，讓壓電材料變形彎曲。利用拍照與錄影的方式，觀察壓電材料在直尺前的材料變形程度。試了很多次，形變量幾乎都是通電後彎曲1.5 mm，變化太少。實驗處理過程中曾不小心折斷壓電材料，而且壓電材料蠻貴的，實驗時感到有點挫折。

接著，我們嘗試用線圈[24]纏繞筆10-20圈，接普通1.5V電池兩顆當作電源，上面放一個點字與磁鐵的黏合品，通電時觀察線圈通電產生的磁力，足不足以彈起磁鐵、帶動點字形成凸點。用了好幾種不同線圈直徑、不同粗細的線、均勻纏繞與纏繞後刻意壓扁等方法，觀察到彈跳力很足夠，但有時候點字會跳歪。若要限制在中心處跳起，套上兩層積木的設計可以辦到。

線圈跟壓電材料比起來便宜非常多，形成凸點又只要3V的直流電壓，是比較理想的點字顯示材料(圖19)。


圖19.使用壓電材料與線圈當作點字顯示的測試材料，此圖為測試時的裝置

最後，點字機的機殼設計，我們以模組化的概念，每四個點字方一組，左邊加上左殼，右邊加右殻，下方有底殼、上方有上殼，模組與模組間有個連接扣環，如圖20所示。實際上拼起來的樣子如圖21。之後，可以依據使用者的需求，自由組合。


圖20.模組化的點字機殼設計


圖21.外殼與點字積木組裝後的實際照片

 未來展望

我們這個作品仍有需要再改善的地方，最後面在點字顯示的線圈部分，還沒有把最後機制做得很完整。外殼也會再調整，希望加上可以輸出聲音的喇吧與三個按鈕。還有，把目前用麵包板設計的電路，改為PCB電路板。目前APP的部分，只有包含簡單的英文字母和注音而已，我們希望增加英文單字、中文注音拼音等制式學習，以及可以自訂單字、各種電子書匯入等功能。

等這幾個部分完成後，第一代預定製作五套，其中一套留在研究室繼續研究，兩套給臺北市立圖書館的啟明分館、兩套給合作的視障輔具公司，讓這兩個單位協助挑選合適的視障對象試用，用一陣子後給我們回饋，我們再繼續修改。這樣的流程三次後(圖22)，就準備集資或是技轉，讓這個產品可以給台灣的視障朋友買來使用。成本目前控制在6,000元左右，會是個物美價廉的、台灣人專用的自主學習點字機。未來若有機會繼續募資，在APP的部分可以增加多國語言的學習，賣到全世界。


圖22.我們未來三年努力的流程

文章最後，呼應一開始提到的競賽，附上學生們參賽時的緊湊時程表，如圖23。從四月中報名，四月底繳交企劃書，五月初通過晉級，五月底線上媒合會，跟別校晉級的同學組隊，我的學生們是技術組，別校同學們是行銷組。為了與別校同學溝通，花了不少的時間溝通理念與技術力。六月底的工作坊時，作品還很陽春，帶去工作坊討論時，有點害羞。七月底的決賽前兩天，作品還是沒達到他們想要的樣子，但是我知道他們已經拼到不能再拼了。所以，當評審給了他們第一名時，真的讓他們驚喜萬分。我也是。


圖23.學生參加競賽的時程表，相當的緊湊而緊張