Các nhà nghiên cứu tạo ra robot tự động mô phỏng biểu cảm của con người

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy móc Sáng tạo của Trường Kỹ thuật Columbia đã phát triển một robot tự động mới gọi là EVA, có khuôn mặt mềm và biểu cảm giống như biểu cảm của con người gần đó.

Nghiên cứu mới này sẽ được trình bày vào ngày 30 tháng 5 tại hội nghị ICRA. Bản thiết kế của robot được mở nguồn trên Hardware-X.

Hod Lipson là giáo sư James và Sally Scapa về Đổi mới (Kỹ thuật Cơ khí) và giám đốc Phòng thí nghiệm Máy móc Sáng tạo.

“Ý tưởng về EVA đã hình thành vài năm trước, khi các sinh viên và tôi bắt đầu nhận thấy rằng các robot trong phòng thí nghiệm của chúng tôi đang nhìn lại chúng tôi thông qua mắt nhựa, mắt googly,” Lipson nói.

Nhân hóa Robot

Theo Lipson, ông cũng nhận thấy một xu hướng tương tự tại các cửa hàng tạp hóa, nơi ông quan sát thấy các robot xếp hàng được nhân hóa với những thứ như thẻ tên.

“Con người dường như đang nhân hóa các đồng nghiệp robot của họ bằng cách cho chúng mắt, một danh tính hoặc một tên,” ông nói. “Điều này khiến chúng tôi tự hỏi, nếu mắt và quần áo hoạt động, tại sao không tạo ra một robot có khuôn mặt siêu biểu cảm và phản ứng với con người?”

Các nhà robot học đã làm việc để tạo ra khuôn mặt robot thuyết phục trong một thời gian dài, nhưng nhiệm vụ này không dễ dàng. Các bộ phận robot truyền thống đã bao gồm kim loại hoặc nhựa cứng, không đủ mềm dẻo để di chuyển giống như mô người. Cũng như vậy, phần cứng robot thường khó làm việc do số lượng mạch, cảm biến và động cơ nặng.

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

Xây dựng EVA

Dự án này bắt đầu vài năm trước trong phòng thí nghiệm của Lipson khi sinh viên đại học Zanwar Faraj dẫn đầu một nhóm sinh viên để xây dựng “máy móc” vật lý của robot. EVA ban đầu được xây dựng như một bức tượng đầu không có thân, và bây giờ robot có thể biểu hiện sáu cảm xúc cơ bản: tức giận, ghê tởm, sợ hãi, niềm vui, buồn và ngạc nhiên. EVA cũng có thể biểu hiện các cảm xúc tinh vi khác bằng cách dựa vào “cơ bắp” nhân tạo, dưới dạng cáp và động cơ. Những cơ bắp nhân tạo này kéo trên các điểm cụ thể trên khuôn mặt của EVA, cho phép robot này mô phỏng các chuyển động của hơn 42 cơ nhỏ gắn vào da và xương của khuôn mặt người.

“Thử thách lớn nhất trong việc tạo ra EVA là thiết kế một hệ thống đủ nhỏ để vừa trong hộp sọ của con người nhưng vẫn đủ chức năng để tạo ra nhiều biểu cảm khuôn mặt,” Faraj nói.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng in 3D để tạo ra các bộ phận có hình dạng phức tạp, và những bộ phận này có thể được tích hợp vào hộp sọ của EVA.

“Tôi đang làm việc một ngày nọ khi EVA đột nhiên cho tôi một nụ cười lớn và thân thiện,” Lipson nói. “Tôi biết đó là hoàn toàn cơ học, nhưng tôi vẫn tìm thấy mình mỉm cười lại.”

Lập trình Trí tuệ Nhân tạo

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành lập trình trí tuệ nhân tạo cho phép EVA di chuyển khuôn mặt. Robot này dựa vào trí tuệ nhân tạo sâu để “đọc” và sau đó mô phỏng các biểu cảm của con người gần đó, và EVA học hỏi bằng thử và sai khi xem video của chính nó.

Theo Boyuan Chen, sinh viên tiến sĩ của Lipson, người dẫn đầu giai đoạn phần mềm, các chuyển động khuôn mặt của EVA quá phức tạp để được quản lý bởi các quy tắc được định nghĩa trước, vì vậy nhiều mạng lưới học sâu đã được sử dụng để tạo ra “bộ não” của EVA.

“Bộ não” của robot cần phải học cách sử dụng hệ thống “cơ bắp” cơ học phức tạp của nó để tạo ra các biểu cảm khuôn mặt, và sau đó nó cần phải học cách “đọc” khuôn mặt của con người để mô phỏng.

Đội ngũ đã quay EVA tạo ra nhiều khuôn mặt ngẫu nhiên trong nhiều giờ, và sau đó mạng lưới thần kinh nội bộ của EVA đã học cách kết hợp chuyển động cơ bắp với đoạn video, có nghĩa là nó có ý thức về cách khuôn mặt của chính nó hoạt động. Một mạng lưới thứ hai sau đó được sử dụng để khớp hình ảnh tự của EVA với hình ảnh khuôn mặt của con người, và sau một số điều chỉnh, EVA đã có thể “đọc” các cử chỉ khuôn mặt của con người từ camera và phản ứng bằng cách mô phỏng lại biểu cảm khuôn mặt đó.

Loại robot này có thể được sử dụng trong các bệnh viện, trường học và nhà ở.

“Có một giới hạn về mức độ con người chúng tôi có thể tương tác cảm xúc với các rô-bốt dựa trên đám mây hoặc loa thông minh tại nhà không có hình thể,” Lipson nói. “Não bộ của chúng tôi dường như phản ứng tốt với các robot có sự hiện diện vật lý có thể nhận biết được.”

“Các robot đang ngày càng gắn liền với cuộc sống của chúng tôi theo nhiều cách, vì vậy việc xây dựng niềm tin giữa con người và máy móc ngày càng trở nên quan trọng,” Chen thêm.