Forskere utvikler autonom robot som etterligner menneskelige uttrykk

Forskere ved Creative Machines Lab ved Columbia Engineering har utviklet en ny autonom robot kalt EVA, som har et mykt og uttrykksfullt ansikt som matcher uttrykkene til mennesker i nærheten.

Den nye forskningen skal presenteres 30. mai på ICRA-konferansen. Blåkopiene for roboten er åpne på Hardware-X.

Hod Lipson er professor i innovasjon (maskinteknikk) og direktør for Creative Machines Lab.

“Idéen til EVA tok form for noen år siden, da mine studenter og jeg begynte å legge merke til at robotene i vårt laboratorium stirret tilbake på oss gjennom plast-, googly-øyne,” sa Lipson.

Å gjøre roboter mer menneskelige

Ifølge Lipson, la han merke til en lignende trend i matbutikker, der han observerte påfyllingsroboter som var gjort mer menneskelige med ting som navnetegn.

“Folk syntes å gjøre robotene sine mer menneskelige kolleger ved å gi dem øyne, en identitet eller et navn,” sa han. “Dette gjorde oss til å undre oss, hvis øyne og klær fungerer, hvorfor ikke lage en robot som har et super-uttrykksfullt og responsivt menneskeansikt?”

Roboticere har arbeidet mot å lage overbevisende robotansikter i lang tid, men oppgaven er ikke enkel. Robotkroppsdelene har tradisjonelt bestått av metall eller hard plast, som er for stive til å bevege seg på samme måte som menneskelig vev. Robotens hårdtware har også ofte vært vanskelig å arbeide med på grunn av mengden av kretser, sensorer og kraft-intensive og tunge motorer.

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

Å bygge EVA

Prosjektet startet for noen år siden i Lipsons laboratorium, da studenten Zanwar Faraj ledet en gruppe studenter til å bygge robotens fysiske “maskineri”. EVA ble først bygget som en avkroppet bust, og nå kan roboten uttrykke seks grunnleggende emosjoner: sinne, avsky, frykt, glede, sorg og overraskelse. EVA kan også uttrykke andre nyanserte emosjoner ved å bruke kunstige “muskler”, som er i form av kabler og motorer. Disse kunstige musklene trekker på bestemte punkter på EVA-ansiktet, noe som gjør det mulig for roboten å etterligne bevegelsene til over 42 små muskler som er festet til huden og beinene i et menneskeansikt.

“Den største utfordringen i å lage EVA var å designe et system som var kompaktnog til å passe innenfor grensene av et menneskeskalle, samtidig som det var funksjonelt nok til å produsere et bredt spekter av ansiktsuttrykk,” sa Faraj.

For å løse dette, brukte forskerne 3D-utskriving til å lage deler med komplekse former, og disse kunne integreres med EVA-skallen.

“Jeg var opptatt av mine egne saker en dag da EVA plutselig ga meg et stort, vennlig smil,” sa Lipson. “Jeg visste det var rent mekanisk, men jeg fant meg selv til å smile tilbake.”

Å programmere AI-en

Teamet gikk så videre til å programmere AI-en som gjorde det mulig for EVA å bevege ansiktet. Roboten bruker dyp læring AI til å “lese” og deretter etterligne uttrykkene til mennesker i nærheten, og EVA lærer ved prøving og feil når den ser på videoer av seg selv.

Ifølge Boyuan Chen, Lipsons PhD-student som ledet programvarefasen, var EVA-ansiktsbevegelsene for komplekse til å bli styrt av forhåndsdefinerte regler, så flere dyp læring neuralnettverk ble brukt til å lage EVA-hjernen.

Robotens hjerne måtte først lære å bruke sitt komplekse system av mekaniske muskler til å generere ansiktsuttrykk, og deretter måtte den lære å “lese” ansiktene til mennesker for å etterligne.

Teamet filmet EVA som lagde tilfeldige ansikter i timer, og deretter lærte EVA-internettverket å pare muskelbevegelse med videoopptak, noe som betydde at det hadde en forståelse av hvordan eget ansikt opererte. Et annet nettverk ble deretter brukt til å matche sitt eget selv-bilde med et menneskeansikt, og etter flere justeringer, kunne EVA lese menneskeansikts-gestene fra en kamera og deretter svare ved å etterligne samme ansiktsuttrykk.

Slike roboter kan brukes på steder som sykehus, skoler og hjem.

“Det er en grense for hvor mye vi mennesker kan engasjere oss emosjonelt med sky-baserte chatboter eller avkroppede smart-hjem-mikrofoner,” sa Lipson. “Våre hjerner synes å reagere godt på roboter som har en gjenkjennelig fysisk tilstedeværelse.”

“Robotene er mer og mer en del av våre liv på en rekke måter, så å bygge tillit mellom mennesker og maskiner er stadig viktigere,” la Chen til.