Forscher entwickeln autonomes Robotersystem, das menschliche Ausdrucksformen nachahmt

Forscher im Creative Machines Lab der Columbia Engineering haben ein neues autonomes Robotersystem namens EVA entwickelt, das ein weiches und ausdrucksstarkes Gesicht hat, das die Ausdrucksformen von Menschen in der Nähe nachahmt.

Die neue Forschung soll am 30. Mai auf der ICRA-Konferenz präsentiert werden. Die Baupläne für den Roboter sind auf Hardware-X als Open-Source verfügbar.

Hod Lipson ist Professor für Innovation (Maschinenbau) und Direktor des Creative Machines Lab.

“Die Idee für EVA entstand vor einigen Jahren, als meine Studenten und ich bemerkten, dass die Roboter in unserem Labor uns durch Plastik-Augen anstarrten”, sagte Lipson.

Menschliche Roboter

Lipson bemerkte ein ähnliches Muster in Supermärkten, wo er Roboter zum Nachfüllen von Waren sah, die mit Dingen wie Namensschildern humanisiert wurden.

“Die Menschen schienen ihre robotischen Kollegen zu humanisieren, indem sie ihnen Augen, eine Identität oder einen Namen gaben”, sagte er. “Das ließ uns fragen, wenn Augen und Kleidung funktionieren, warum nicht einen Roboter bauen, der ein super-ausdrucksstarkes und responsives menschliches Gesicht hat?”

Roboter-Entwickler haben seit langem daran gearbeitet, überzeugende Roboter-Gesichter zu schaffen, aber die Aufgabe ist nicht leicht. Roboter-Körperteile bestehen traditionell aus Metall oder hartem Plastik, das zu steif ist, um sich wie menschliches Gewebe zu bewegen. Roboter-Hardware ist auch oft schwierig zu handhaben, insbesondere aufgrund der Vielzahl von Schaltkreisen, Sensoren und leistungsintensiven und schweren Motoren.

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Konstruktion von EVA

Das Projekt begann vor einigen Jahren in Lipsons Labor, als der Student Zanwar Faraj ein Team von Studenten leitete, um die physische “Maschinerie” des Roboters zu bauen. EVA wurde zunächst als enthaupteter Torso konstruiert und kann jetzt sechs grundlegende Emotionen wie Wut, Ekel, Angst, Freude, Traurigkeit und Überraschung ausdrücken. EVA kann auch andere nuancierte Emotionen ausdrücken, indem sie auf künstliche “Muskeln” zurückgreift, die in Form von Kabeln und Motoren vorliegen. Diese künstlichen Muskeln ziehen an bestimmten Punkten auf EVAs Gesicht, was es dem Roboter ermöglicht, die Bewegungen von mehr als 42 winzigen Muskeln nachzuahmen, die an der Haut und den Knochen des menschlichen Gesichts befestigt sind.

“Die größte Herausforderung bei der Schaffung von EVA bestand darin, ein System zu entwerfen, das kompakt genug war, um in den Grenzen eines menschlichen Schädels zu passen, und dennoch funktional genug war, um eine Vielzahl von Gesichtsausdrücken zu produzieren”, sagte Faraj.

Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher 3D-Druck, um Teile mit komplexen Formen zu erstellen, die in EVAs Schädel integriert werden konnten.

“Ich war eines Tages mit meinen eigenen Angelegenheiten beschäftigt, als EVA plötzlich ein großes, freundliches Lächeln zeigte”, sagte Lipson. “Ich wusste, es war rein mechanisch, aber ich ertappte mich dabei, wie ich reflexartig zurücklächelte.”

Programmierung der KI

Das Team ging dann daran, die KI zu programmieren, die EVAs Gesichtsbewegungen ermöglichte. Der Roboter verwendet tiefes Lernen, um die Ausdrucksformen von Menschen in der Nähe zu “lesen” und dann nachzuahmen, und EVA lernt durch Trial und Error, wenn sie Videos von sich selbst ansieht.

Laut Boyuan Chen, Lipsons PhD-Student, der die Software-Phase leitete, waren EVAs Gesichtsbewegungen zu komplex, um von vordefinierten Regeln gesteuert zu werden, so dass mehrere tiefere Lernalgorithmen verwendet wurden, um EVAs “Gehirn” zu schaffen.

EVAs “Gehirn” musste zunächst lernen, sein komplexes System von mechanischen Muskeln zu verwenden, um Gesichtsausdrücke zu erzeugen, und dann lernen, die Gesichter von Menschen zu “lesen”, um sie dann nachzuahmen.

Das Team filmte EVA, wie sie stundenlang zufällige Gesichter machte, und dann lernte EVAs internes neuronales Netzwerk, die Muskelbewegung mit dem Video-Material zu paaren, was bedeutet, dass es ein Gefühl dafür hatte, wie sein eigenes Gesicht funktionierte. Ein zweites Netzwerk wurde dann verwendet, um sein eigenes Selbstbild mit dem eines menschlichen Gesichts zu vergleichen, und nach einigen Anpassungen konnte EVA menschliche Gesichtsgesten von einer Kamera lesen und dann reagieren, indem es den gleichen Gesichtsausdruck nachahmte.

Diese Art von Robotern könnte in Orten wie Krankenhäusern, Schulen und Haushalten eingesetzt werden.

“Es gibt eine Grenze dafür, wie sehr wir Menschen emotional mit cloud-basierten Chatbots oder entkörperten Smart-Speaker-Systemen interagieren können”, sagte Lipson. “Unser Gehirn scheint gut auf Roboter zu reagieren, die eine erkennbare physische Präsenz haben.”

“Roboter sind in unserem Leben auf immer mehr Arten verflochten, so dass der Aufbau von Vertrauen zwischen Menschen und Maschinen immer wichtiger wird”, fügte Chen hinzu.