虽然面部表情在人与人之间的沟通和建立信任中发挥着巨大的作用,但大多数机器人仍然保持着专业而静态的扑克脸形象。随着机器人和人类需要密切合作的地方越来越多,从养老院,到仓库,和工厂,对一个反应更灵敏、看起来更真实的机器人的需求变得越来越迫切。
哥伦比亚工程学院创意机器实验室的研究人员一直对机器人和人类之间的互动感兴趣,花了五年来创造EVA,这是一种新的自主机器人,面部柔软而富有表现力,能够响应附近人类的表情。该研究于 2021 年 5 月 30 日在 ICRA 会议上发表,机器人蓝图在 Hardware-X(2021 年 4 月)上开源。
“EVA的想法成形于几年前,当我和我的学生开始注意到,我们实验室的机器人总是瞪着一双塑料大眼睛凝视我们的时候”利普森说,詹姆斯和莎莉Scapa教授的创新(机械工程)和创意机器实验室主任。
利普森在杂货店也观察到了类似的趋势,他在那里遇到了带着姓名徽章的机器人,有一个机器人戴着舒适的手织帽子。“这让我们好奇,如果眼睛、衣服,或者取个名字都可以让他们更人性化,为什么不做一个拥有超级丰富面部表情的机器人呢?”
这虽然听起来很简单,但对于机器人专家来说,创造一个令人信服的机器人脸一直是一个艰巨的挑战。几十年来,机器人的身体部件一直是由金属或硬塑料制成的,这些材料太硬,无法像人类组织那样流动和移动。机器人硬件也同样粗糙,难以使用——电路、传感器和电机沉重、密集、体积大。
该项目的第一阶段始于几年前在利普森的实验室里,当时本科生Zanwar Faraj带领一群学生建造了机器人的物理“躯干”。他们建造了EVA的半身像,让EVA通过使用人工的“肌肉”来表达愤怒、厌恶、恐惧、快乐、悲伤、惊讶等六种基本情绪,以及一系列更微妙的情绪。通过电线拉动EVA脸上的特定点,模仿附着在人脸皮肤和骨骼上的42多块小肌肉的运动。
“创造 EVA 的最大挑战是设计一个足够紧凑的系统,以适应人类头骨的范围,同时仍然具有足够的功能以产生各种面部表情,”Faraj 指出。
为了克服这一挑战,该团队在很大程度上依赖3D打印技术来制造复杂形状的部件,这些部件与EVA的头骨无缝地集成在一起。经过数周的调试让EVA微笑,皱眉,或看起来沮丧,研究小组注意到EVA这张的蓝色的脸可以引起实验室人类伙伴的情绪反应。“有一天,我正忙着自己的事情,EVA突然对我露出了一个大大的、友好的微笑,”Lipson回忆说。“我知道这纯粹是机械的,但我发现自己本能地对他微笑。”
在此之后,团队开始这个项目的第二个主要阶段:编程人工智能来指导EVA的面部运动。当栩栩如生的动画机器人已经在主题公园和电影工作室使用多年时,利普森的团队取得了两项技术进步。EVA使用深度学习人工智能来进行“阅读”,然后反映出附近人类脸上的表情。而EVA模仿各种不同的人类面部表情的能力是通过从观看自己的视频中反复学习到的。
最难自动化的人类活动涉及在复杂的社会环境中发生的非重复性身体运动。陈博士领导了项目的软件阶段。他们很快意识到 EVA 的面部动作是一个过于复杂的过程,无法由预定义的规则来管理。为了应对这一挑战,陈和第二组学生使用多个深度学习神经网络创建了 EVA 的大脑。该机器人的大脑需要掌握两种能力:一是要学会利用机械肌肉自身的复杂系统产生任何特定的面部表情,第二,通过“阅读”人类的脸来知道要做哪些表情。
为了让EVA知道自己的脸是什么样的,陈博士和他的团队拍摄了数小时的EVA随机做出的面部表情的视频。然后,就像人类在Zoom上观看自己一样,EVA的内部神经网络学会了将肌肉运动与自己面部的视频片段配对。现在EVA已经对自己的脸的工作原理有了初步的认识(被称为“自我形象”),它使用第二个网络将自己的自我形象与摄像机捕捉到的人脸图像相匹配。经过多次改进和迭代,EVA获得了从相机中读取人脸的能力,以及通过人类的面部表情来做出自己表情反应的能力。
研究人员指出,EVA是一个实验室实验,单独的模仿仍然与人类使用面部表情交流的复杂方式相差甚远。但这种新的技术将来一定会带来有益的实际应用。例如,能够应对各种各样的人类肢体语言的机器人在工作场所、医院、学校和家庭中都很有用。
“我们与基于云计算的聊天机器人或无实体的智能家居扬声器进行情感交流的能力是有限的,”Lipson说。“人类的大脑似乎对具有某种可识别性的实体机器人反应良好。”
陈补充说:“机器人以越来越多的方式与我们的生活交织在一起,因此在人与机器之间建立信任变得越来越重要。”
(独家编译:科幻世界)
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