I ricercatori creano un robot autonomo che imita 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-source su Hardware-X.

Hod Lipson è 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 con occhi di plastica e googly,” ha detto Lipson.

Umanizzare i robot

Secondo Lipson, ha notato una tendenza simile nei supermercati, dove ha osservato robot di ricarica che erano umanizzati con cose come le targhette con il nome.

“Le persone sembravano umanizzare i loro colleghi robot 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 reattivo?”

I roboticisti stanno lavorando per creare facce robotiche convincenti da molto tempo, ma il compito non è facile. Le parti del corpo dei robot sono tradizionalmente fatte di metallo o plastica dura, che sono troppo rigide per muoversi nello stesso modo della pelle umana. L’hardware dei robot è anche spesso difficile da lavorare a causa della quantità di circuiti, sensori e motori potenti e pesanti.

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Costruire EVA

Il progetto è iniziato alcuni anni fa nel laboratorio di Lipson quando lo studente universitario 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 senza corpo e ora il robot può esprimere sei emozioni di base di rabbia, disgusto, paura, gioia, tristezza e sorpresa. EVA può anche esprimere altre emozioni sottili 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 imitare i movimenti di più di 42 muscoli piccoli 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 abbastanza compatto da entrare all’interno di un cranio umano mentre era ancora 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 integrare 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 ha poi proceduto 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 imitare 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 del software, i movimenti facciali di EVA erano troppo complessi per essere governati da regole predefinite, quindi sono stati utilizzati diversi reti 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 imitarli.

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 muscolare con le immagini video, il che significa che aveva una comprensione di come funzionava il suo stesso viso. Una seconda rete è stata utilizzata per abbinare la sua immagine di se stesso con quella di un viso umano, e dopo diversi aggiustamenti, EVA è stata in grado di leggere i gesti facciali umani da una telecamera e poi rispondere imitando 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 domestici senza corpo,” ha detto Lipson. “I nostri cervelli sembrano rispondere bene ai robot che hanno una 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.