Ricercatori creano un robot autonomo che mimetizza le espressioni umane

I ricercatori del Creative Machines Lab della Columbia Engineering hanno sviluppato un nuovo robot autonomo chiamato EVA, che ha un viso morbido ed espressivo che corrisponde alle espressioni delle persone vicine.

La nuova ricerca sarà presentata il 30 maggio alla conferenza ICRA. I progetti per il robot sono open-sourced su Hardware-X.

Hod Lipson è un professore di innovazione (Ingegneria meccanica) e direttore del Creative Machines Lab.

“L’idea per EVA ha preso forma alcuni anni fa, quando i miei studenti e io abbiamo iniziato a notare che i robot nel nostro laboratorio ci stavano guardando attraverso occhi di plastica,” ha detto Lipson.

Umanizzare i robot

Secondo Lipson, ha notato una tendenza simile nei negozi di generi alimentari, dove ha osservato robot di riordinamento umanizzati con cose come badge con il nome.

“Le persone sembravano umanizzare i loro colleghi robotici dandogli occhi, un’identità o un nome”, ha detto. “Ciò ci ha fatto chiedere, se gli occhi e i vestiti funzionano, perché non creare un robot che abbia un viso super-espressivo e rispondente all’umano?”

I roboticisti stanno lavorando per creare facce robotiche convincenti da molto tempo, ma il compito non è facile. Le parti del corpo robotico sono tradizionalmente costituite da metallo o plastica rigida, che sono troppo rigide per muoversi nello stesso modo della carne umana. L’hardware robotico è anche spesso difficile da lavorare con il numero di circuiti, sensori e motori potenti e pesanti.

https://www.youtube.com/watch?v=STx2HMHJFY8&t=3s

Costruire EVA

Il progetto è iniziato alcuni anni fa nel laboratorio di Lipson quando lo studente undergraduate Zanwar Faraj ha guidato un team di studenti per costruire la “macchina” fisica del robot. EVA è stata costruita per la prima volta come un busto scollegato, e ora il robot può esprimere sei emozioni di base di rabbia, disgusto, paura, gioia, tristezza e sorpresa. EVA può anche esprimere altre emozioni sfumate affidandosi a “muscoli” artificiali, che sono in forma di cavi e motori. Questi muscoli artificiali tirano su punti specifici del viso di EVA, consentendo al robot di mimare i movimenti di più di 42 muscoli minuscoli che sono attaccati alla pelle e alle ossa del viso umano.

“La sfida più grande nella creazione di EVA è stata progettare un sistema che fosse compatto abbastanza da entrare all’interno dei confini di un cranio umano e allo stesso tempo essere funzionale abbastanza da produrre una vasta gamma di espressioni facciali,” ha detto Faraj.

Per affrontare questo, i ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D per creare parti con forme complesse, che sono state in grado di essere integrate con il cranio di EVA.

“Stavo facendo le mie cose un giorno quando EVA mi ha improvvisamente dato un grande sorriso amichevole”, ha detto Lipson. “Sapevo che era puramente meccanico, ma mi sono trovato a sorridere automaticamente.”

Programmare l’AI

Il team è poi passato a programmare l’AI che ha abilitato i movimenti facciali di EVA. Il robot si affida all’AI di apprendimento profondo per “leggere” e poi mimare le espressioni delle persone vicine, e EVA impara per tentativi ed errori guardando video di se stesso.

Secondo Boyuan Chen, studente di dottorato di Lipson che ha guidato la fase software, i movimenti facciali di EVA erano troppo complessi per essere governati da regole predefinite, quindi sono stati utilizzati diversi network neurali di apprendimento profondo per creare il “cervello” di EVA.

Il cervello del robot doveva prima imparare a utilizzare il suo sistema complesso di muscoli meccanici per generare espressioni facciali, e poi doveva imparare a “leggere” i visi delle persone per poi mimarli.

Il team ha filmato EVA che faceva facce casuali per ore, e poi la rete neurale interna di EVA ha imparato ad abbinare il movimento dei muscoli con le riprese video, il che significa che aveva un senso di come funzionava il suo stesso viso. Una seconda rete è stata utilizzata per abbinare la sua immagine con quella di un viso umano, e dopo diversi aggiustamenti, EVA è stata in grado di leggere i gesti del viso umano da una telecamera e poi rispondere mimando la stessa espressione facciale.

Questi tipi di robot potrebbero essere utilizzati in luoghi come ospedali, scuole e case.

“C’è un limite a quanto noi esseri umani possiamo impegnarci emotivamente con chatbot basati su cloud o altoparlanti intelligenti smontati,” ha detto Lipson. “Il nostro cervello sembra rispondere bene ai robot che hanno una sorta di presenza fisica riconoscibile.”

“I robot sono intrecciati nelle nostre vite in un numero crescente di modi, quindi costruire la fiducia tra esseri umani e macchine è sempre più importante,” ha aggiunto Chen.