O robô sorriu de volta – Notícias da neurociência

Resumo: Aplicando a tecnologia de IA, os pesquisadores ensinam um robô a fazer expressões faciais humanas reativas apropriadas. Os cientistas dizem que isso pode ajudar a construir confiança entre os humanos e os robôs humanóides com os quais eles interagem.

Fonte: Universidade Columbia

Embora nossas expressões faciais desempenhem um grande papel na construção de confiança, a maioria dos robôs ainda exibe a aparência vazia e estática de um jogador de pôquer profissional. Com o uso crescente de robôs em locais onde robôs e humanos precisam trabalhar juntos, de casas de saúde a depósitos e fábricas, a necessidade de um robô mais responsivo e realista facial está se tornando mais urgente.

Há muito interessados ​​nas interações entre robôs e humanos, os pesquisadores do Creative Machines Lab da Columbia Engineering trabalham há cinco anos para criar o EVA, um novo robô autônomo com um rosto suave e expressivo que responde para corresponder às expressões dos humanos próximos.

A pesquisa será apresentada na conferência ICRA em 30 de maio de 2021, e os projetos do robô são de código aberto no Hardware-X (abril de 2021).

“A ideia do EVA tomou forma alguns anos atrás, quando meus alunos e eu começamos a notar que os robôs em nosso laboratório estavam olhando para nós com olhos de plástico e arregalados”, disse Hod Lipson, James e Sally Scapa Professor de Inovação ( Engenharia Mecânica) e diretor do Creative Machines Lab.

Lipson observou uma tendência semelhante na mercearia, onde encontrou robôs reabastecendo com crachás e, em um caso, vestidos com um boné aconchegante tricotado à mão. “As pessoas pareciam estar humanizando seus colegas robóticos, dando-lhes olhos, uma identidade ou um nome”, disse ele. “Isso nos fez pensar, se olhos e roupas funcionam, por que não fazer um robô com um rosto humano superexpressivo e responsivo?”

Embora pareça simples, criar um rosto robótico convincente tem sido um desafio formidável para os roboticistas. Durante décadas, as partes do corpo dos robôs foram feitas de metal ou plástico rígido, materiais que eram rígidos demais para fluir e se mover como o tecido humano. O hardware robótico tem sido igualmente rudimentar e difícil de trabalhar – circuitos, sensores e motores são pesados, consomem muita energia e são volumosos.

Crédito: Columbia Engineering

A primeira fase do projeto começou no laboratório de Lipson há vários anos, quando o estudante de graduação Zanwar Faraj liderou uma equipe de alunos na construção do “maquinário” físico do robô. Eles construíram o EVA como um busto sem corpo que tem uma forte semelhança com os performers silenciosos, mas com animação facial, do Blue Man Group.

O EVA pode expressar as seis emoções básicas de raiva, nojo, medo, alegria, tristeza e surpresa, bem como uma série de emoções mais matizadas, usando “músculos” artificiais (ou seja, cabos e motores) que puxam pontos específicos do EVA rosto, imitando os movimentos de mais de 42 minúsculos músculos fixados em vários pontos da pele e dos ossos de rostos humanos.

“O maior desafio na criação de EVA foi projetar um sistema que fosse compacto o suficiente para caber dentro dos confins de um crânio humano, embora ainda fosse funcional o suficiente para produzir uma ampla gama de expressões faciais”, observou Faraj.

Para superar esse desafio, a equipe confiou muito na impressão 3D para fabricar peças com formas complexas que se integraram de maneira contínua e eficiente ao crânio de EVA. Depois de semanas puxando cabos para fazer o EVA sorrir, franzir a testa ou parecer chateado, a equipe percebeu que o rosto azul e sem corpo do EVA poderia provocar respostas emocionais de seus colegas de laboratório. “Certo dia, eu estava cuidando da minha vida quando EVA de repente me deu um grande e amigável sorriso”, lembra Lipson. “Eu sabia que era puramente mecânico, mas me vi sorrindo de volta por reflexo.”

Assim que a equipe ficou satisfeita com a “mecânica” do EVA, eles começaram a abordar a segunda grande fase do projeto: programar a inteligência artificial que guiaria os movimentos faciais do EVA. Enquanto robôs animatrônicos realistas são usados ​​em parques temáticos e estúdios de cinema há anos, a equipe de Lipson fez dois avanços tecnológicos.

O EVA usa inteligência artificial de aprendizado profundo para “ler” e, em seguida, espelhar as expressões em rostos humanos próximos. E a capacidade do EVA de imitar uma ampla gama de diferentes expressões faciais humanas é aprendida por tentativa e erro ao assistir a vídeos de si mesmo.

As atividades humanas mais difíceis de automatizar envolvem movimentos físicos não repetitivos que ocorrem em ambientes sociais complicados. Boyuan Chen, aluno de PhD de Lipson que liderou a fase de software do projeto, percebeu rapidamente que os movimentos faciais do EVA eram um processo muito complexo para ser regido por conjuntos de regras predefinidas.

Para enfrentar esse desafio, Chen e uma segunda equipe de alunos criaram o cérebro de EVA usando várias redes neurais de Aprendizado Profundo. O cérebro do robô precisava dominar duas capacidades: primeiro, aprender a usar seu próprio sistema complexo de músculos mecânicos para gerar qualquer expressão facial particular e, segundo, saber quais faces fazer “lendo” rostos humanos.

Isso mostra um robô de rosto azul dando diferentes expressões de feliz a louco
Processo de coleta de dados: Eva está praticando expressões faciais aleatórias ao registrar sua aparência na câmera frontal. Crédito: Creative Machines Lab / Columbia Engineering

Para ensinar ao EVA como era seu próprio rosto, Chen e a equipe filmaram horas de filmagem do EVA fazendo uma série de rostos aleatórios. Então, como um humano se observando no Zoom, as redes neurais internas do EVA aprenderam a emparelhar o movimento muscular com o vídeo de seu próprio rosto.

Agora que o EVA tinha uma noção primitiva de como seu próprio rosto funcionava (conhecido como “auto-imagem”), ele usou uma segunda rede para combinar sua própria imagem com a imagem de um rosto humano capturada em sua câmera de vídeo. Depois de vários refinamentos e iterações, o EVA adquiriu a capacidade de ler os gestos do rosto humano em uma câmera e de responder espelhando a expressão facial do ser humano.

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Os pesquisadores observam que o EVA é um experimento de laboratório, e o mimetismo por si só ainda está muito longe das formas complexas pelas quais os humanos se comunicam por meio de expressões faciais. Mas essas tecnologias capacitadoras podem algum dia ter aplicações benéficas no mundo real. Por exemplo, robôs capazes de responder a uma ampla variedade de linguagem corporal humana seriam úteis em locais de trabalho, hospitais, escolas e residências.

“Há um limite para o quanto nós, humanos, podemos nos envolver emocionalmente com chatbots baseados em nuvem ou alto-falantes domésticos inteligentes desencarnados”, disse Lipson. “Nossos cérebros parecem responder bem a robôs que têm algum tipo de presença física reconhecível.”

Acrescentou Chen, “Os robôs estão interligados em nossas vidas de um número crescente de maneiras, portanto, construir confiança entre humanos e máquinas é cada vez mais importante.”

Financiamento:

O estudo foi apoiado pela National Science Foundation NRI 1925157 e pela DARPA MTO conceder o Programa L2M HR0011-18-2-0020.

Os autores declaram não haver conflitos de interesses financeiros ou outros.

Informações adicionais: Você pode saber mais sobre o projeto da equipe visitando seu site.

Sobre esta notícia de pesquisa de robótica

Fonte: Universidade Columbia
Contato: Holly Evarts – Columbia University
Imagem: A imagem foi creditada ao Creative Machines Lab / Columbia Engineering

Pesquisa original: Os resultados serão apresentados na Conferência Internacional IEEE 2021 ICRA sobre Robótica e Automação

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