研究人员创建模仿人类表情的自主机器人

哥伦比亚工程学院的创意机器实验室的研究人员开发了一种新的自主机器人，称为EVA，它具有柔软且富有表情的面部，可以匹配附近人类的表情。

这项新研究将于5月30日在ICRA会议上发表。机器人的蓝图在Hardware-X上开源。

Hod Lipson是机械工程的James和Sally Scapa教授，也是创意机器实验室的主任。

“EVA的想法是在几年前形成的，当时我的学生和我开始注意到我们实验室的机器人通过塑料、呆呆的眼睛盯着我们，”Lipson说。

赋予机器人以人性

根据Lipson的说法，他在杂货店也观察到了类似的趋势，他看到补货机器人被赋予了类似姓名标签的人性化特征。

“人们似乎通过给机器人戴上眼睛、身份或姓名来使他们人性化，”他说。“这使我们想知道，如果眼睛和衣服有效，为什么不制造一个具有超级富有表情和响应性的人类面部的机器人？”

机器人学家们已经努力创造令人信服的机器人面部很长时间了，但这项任务并不容易。传统的机器人身体部件由金属或硬塑料制成，太僵硬，无法像人类组织一样移动。机器人硬件也经常难以使用，考虑到电路、传感器和功率密集型和重型电机的数量。

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构建EVA

该项目始于几年前，在Lipson的实验室中，当时本科生Zanwar Faraj带领一组学生建造了机器人的物理“机械”。EVA最初被建造为一个没有身体的半身像，现在机器人可以表达六种基本情绪：愤怒、厌恶、恐惧、喜悦、悲伤和惊讶。EVA还可以通过依赖人工“肌肉”来表达其他细腻的情绪，这些肌肉以电缆和电机的形式存在。这些人工肌肉拉动EVA面部的特定点，使机器人能够模仿人类面部附着在皮肤和骨骼上的42个小肌肉的运动。

“创造EVA的最大挑战是设计一个系统，足够紧凑以适合人类颅骨的限制，同时又足够功能性以产生广泛的面部表情，”Faraj说。

为了解决这个问题，研究人员使用3D打印创建具有复杂形状的部件，这些部件可以与EVA的头骨集成。

“有一天，我正在做自己的事情，EVA突然给我一个大大的、友好的微笑，”Lipson说。“我知道这纯粹是机械的，但我还是发现自己不由自主地回以微笑。”

编程AI

然后，团队继续编程使EVA的面部运动成为可能的AI。机器人依赖深度学习AI来“阅读”和模仿附近人类的表情，EVA通过观看自己的视频来学习，通过试错法来改进。

根据Lipson的博士生Boyuan Chen的说法，谁领导了软件阶段，EVA的面部运动太复杂，无法由预定义的规则来控制，因此使用了多个深度学习神经网络来创建EVA的大脑。

机器人的大脑首先需要学习如何使用其复杂的机械肌肉系统来生成面部表情，然后它需要学习如何“阅读”人类的面部表情来模仿。

团队花了几个小时拍摄EVA做出随机的面部表情，然后EVA的内部神经网络学会了将肌肉运动与视频镜头配对，这意味着它知道自己的面部是如何工作的。然后使用第二个网络来匹配自己的自画像与人类面部的图像，经过几次调整后，EVA就能够从摄像头读取人类面部手势并做出相应的面部表情来回应。

这种类型的机器人可以在医院、学校和家庭等地方使用。

“我们人类的情感参与度受到限制，我们只能与基于云的聊天机器人或没有身体的智能家居扬声器进行交互，”Lipson说。“我们的脑袋似乎对具有某种可识别的物理存在的机器人有很好的反应。”

“机器人以越来越多的方式融入我们的生活，因此建立人类和机器之间的信任变得越来越重要，”Chen补充说。