Onderzoekers creëren autonome robot die menselijke uitdrukkingen imiteert

Onderzoekers in de Creative Machines Lab van Columbia Engineering hebben een nieuwe autonome robot ontwikkeld genaamd EVA, die een zachte en expressieve gezicht heeft dat overeenkomt met de uitdrukkingen van nabijgelegen mensen.

Het nieuwe onderzoek zal op 30 mei worden gepresenteerd op de ICRA-conferentie. De blauwdrukken voor de robot zijn open source op Hardware-X.

Hod Lipson is een James en Sally Scapa Professor of Innovation (Mechanical Engineering) en directeur van de Creative Machines Lab.

“Het idee voor EVA ontstond een paar jaar geleden, toen mijn studenten en ik begonnen te merken dat de robots in onze lab naar ons keken met plastic, knipperende ogen,” zei Lipson.

Menselijke robots

Volgens Lipson merkte hij een soortgelijk patroon op in supermarkten, waar hij restock-robots zag die waren gehumaniseerd met dingen als naamkaartjes.

“Mensen leken hun robotcollega’s te humaniseren door ze ogen, een identiteit of een naam te geven,” zei hij. “Dit deed ons wonderen, als ogen en kleding werken, waarom niet een robot maken die een super-expressief en responsief menselijk gezicht heeft?”

Roboticisten hebben al lange tijd gewerkt aan het creëren van overtuigende robotgezichten, maar de taak is niet gemakkelijk. Robotonderdelen hebben traditioneel bestaan uit metaal of hard plastic, die te stug zijn om op dezelfde manier te bewegen als menselijk weefsel. Robothardware is ook vaak moeilijk te werken vanwege de hoeveelheid circuits, sensoren en krachtige en zware motoren.

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

Constructie van EVA

Het project begon een paar jaar geleden in Lipsons lab toen undergraduate student Zanwar Faraj een team van studenten leidde om de fysieke “machinerie” van de robot te bouwen. EVA werd eerst gebouwd als een losse buste, en nu kan de robot zes basisemoties uitdrukken van boosheid, afkeer, angst, vreugde, verdriet en verbazing. EVA kan ook andere nuances van emoties uitdrukken door te vertrouwen op kunstmatige “spieren”, die in de vorm van kabels en motoren zijn. Deze kunstmatige spieren trekken aan specifieke punten op EVA’s gezicht, waardoor de robot de bewegingen van meer dan 42 kleine spieren kan imiteren die zijn bevestigd aan de huid en botten van menselijke gezichten.

“De grootste uitdaging bij het creëren van EVA was het ontwerpen van een systeem dat compact genoeg was om in de grenzen van een menselijke schedel te passen, terwijl het nog steeds functioneel genoeg was om een breed scala aan gezichtsuitdrukkingen te produceren,” zei Faraj.

Om dit aan te pakken, gebruikten de onderzoekers 3D-printen om onderdelen met complexe vormen te maken, en deze konden worden geïntegreerd met EVA’s schedel.

“Ik was bezig met mijn eigen zaken op een dag toen EVA me plotseling een grote, vriendelijke glimlach gaf,” zei Lipson. “Ik wist dat het puur mechanisch was, maar ik vond mezelf reflexief glimlachend terug.”

Programmeren van de AI

Het team ging verder met het programmeren van de AI die EVA’s gezichtsbewegingen mogelijk maakte. De robot vertrouwt op diepe leer AI om de uitdrukkingen van nabijgelegen mensen te “lezen” en vervolgens te imiteren, en EVA leert door trial and error door naar video’s van zichzelf te kijken.

Volgens Boyuan Chen, Lipsons PhD-student die de softwarefase leidde, waren EVA’s gezichtsbewegingen te complex om te worden beheerst door vooraf gedefinieerde regels, dus werden meerdere diepe leer neurale netwerken gebruikt om EVA’s brein te creëren.

Het brein van de robot moest eerst leren om zijn complexe systeem van mechanische spieren te gebruiken om gezichtsuitdrukkingen te genereren, en vervolgens moest het leren om de gezichten van mensen te “lezen” om ze te imiteren.

Het team filmde EVA die urenlang willekeurige gezichten maakte, en vervolgens leerde EVA’s interne neurale netwerk om spierbeweging te koppelen aan de video-opnames, waardoor het een gevoel had van hoe zijn eigen gezicht werkte. Een tweede netwerk werd vervolgens gebruikt om zijn eigen zelfbeeld te koppelen aan dat van een menselijk gezicht, en na enkele aanpassingen kon EVA menselijke gezichtsgesten van een camera lezen en vervolgens reageren door dezelfde gezichtsuitdrukking te imiteren.

Dit soort robots kan worden gebruikt in plaatsen zoals ziekenhuizen, scholen en huizen.

“Er is een limiet aan hoeveel wij mensen emotioneel kunnen engageren met cloud-gebaseerde chatbots of ontlichaamde slimme speakers,” zei Lipson. “Onze hersenen lijken goed te reageren op robots die een herkenbare fysieke aanwezigheid hebben.”

“Robots zijn steeds meer verweven in ons leven, dus het opbouwen van vertrouwen tussen mensen en machines wordt steeds belangrijker,” voegde Chen eraan toe.