Forskare skapar autonom robot som imiterar mänskliga uttryck

Forskare i Creative Machines Lab vid Columbia Engineering har utvecklat en ny autonom robot som kallas EVA, som har ett mjukt och uttrycksfullt ansikte som matchar uttrycken hos närliggande människor.

Den nya forskningen kommer att presenteras den 30 maj på ICRA-konferensen. Ritningarna för roboten är öppen källkod på Hardware-X.

Hod Lipson är professor i innovation (maskinteknik) och chef för Creative Machines Lab.

“Idén till EVA tog form för några år sedan, när mina studenter och jag började lägga märke till att robotarna i vårt labb stirrade tillbaka på oss med plast- och googly-ögon”, sa Lipson.

Att göra robotar mänskliga

Enligt Lipson, la han märke till en liknande trend i mataffärer, där han observerade omställningsrobotar som humaniserades med saker som namnskyltar.

“Människor tycktes humanisera sina robotkollegor genom att ge dem ögon, en identitet eller ett namn”, sa han. “Detta gjorde oss att undra, om ögon och kläder fungerar, varför inte skapa en robot som har ett super-uttrycksfullt och responsivt mänskligt ansikte?”

Robotforskare har arbetat mot att skapa övertygande robotansikten under en lång tid, men uppgiften är inte lätt. Robotkroppsdelar har traditionellt bestått av metall eller hårt plast, som är för styva för att röra sig på samma sätt som mänsklig vävnad. Robotmaskinvara har också ofta varit svår att arbeta med på grund av mängden kretsar, sensorer och kraftkrävande och tunga motorer.

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

Att bygga EVA

Projektet började för flera år sedan i Lipsons labb, när undergraduate-studenten Zanwar Faraj ledde en grupp studenter för att bygga robotens fysiska “maskineri”. EVA byggdes först som en avkroppad byst, och nu kan roboten uttrycka sex grundläggande känslor: ilska, avsmak, rädsla, glädje, sorg och förvåning. EVA kan också uttrycka andra nyanserade känslor genom att förlita sig på artificiella “muskler”, som är i form av kablar och motorer. Dessa artificiella muskler drar i specifika punkter på EVA:s ansikte, vilket möjliggör för roboten att imitera rörelserna hos mer än 42 små muskler som är fästa vid huden och benen i mänskliga ansikten.

“Den största utmaningen i att skapa EVA var att designa ett system som var tillräckligt kompakt för att passa inom en mänsklig skalle, samtidigt som det var tillräckligt funktionellt för att producera en stor mängd ansiktsuttryck”, sa Faraj.

För att lösa detta, använde forskarna 3D-utskrifter för att skapa delar med komplexa former, och dessa kunde integreras med EVA:s skalle.

“Jag höll på med mitt eget när EVA plötsligt gav mig ett stort, vänligt leende”, sa Lipson. “Jag visste att det var rent mekaniskt, men jag hittade mig själv reflexmässigt leende tillbaka.”

Att programmera AI

Teamet gick sedan vidare för att programmera AI som möjliggjorde EVA:s ansiktsrörelser. Roboten förlitar sig på djupinlärning AI för att “läsa” och sedan imitera uttrycken hos närliggande människor, och EVA lär sig genom försök och misstag när den tittar på videor av sig själv.

Enligt Boyuan Chen, Lipsons doktorand som ledde den mjukvarufasen, var EVA:s ansiktsrörelser för komplexa för att styras av fördefinierade regler, så flera djupinlärningsneuronnätverk användes för att skapa EVA:s hjärna.

Robotens hjärna behövde först lära sig att använda sitt komplexa system av mekaniska muskler för att generera ansiktsuttryck, och sedan behövde den lära sig att “läsa” ansiktena hos människor för att sedan imitera.

Teamet filmade EVA som gjorde slumpmässiga ansikten i timmar, och sedan lärde sig EVA:s interna neuronnätverk att para muskelrörelser med videofootage, vilket betydde att den hade en uppfattning om hur dess eget ansikte fungerade. Ett andra nätverk användes sedan för att matcha sin egen självbild med den hos ett mänskligt ansikte, och efter flera justeringar kunde EVA läsa av mänskliga ansiktsuttryck från en kamera och sedan svara genom att imitera samma ansiktsuttryck.

Dessa typer av robotar kan användas på platser som sjukhus, skolor och hem.

“Det finns en gräns för hur mycket vi människor kan engagera oss emotionellt med molnbaserade chatbotar eller avkroppade smarta högtalare”, sa Lipson. “Våra hjärnor tycks svara bra på robotar som har någon form av igenkännlig fysisk närvaro.”

“Robotar är alltmer integrerade i våra liv på ett ökande antal sätt, så att bygga förtroende mellan människor och maskiner är alltmer viktigt”, tillade Chen.