虽然我们的面部表情在建立信任方面发挥着巨大的作用,但大多数机器人仍然摆出一副职业扑克玩家的脸。从养老院到仓库和工厂,在机器人和人类需要密切合作的地方,越来越多地使用机器人,对反应更快、面部更逼真的机器人的需求也越来越迫切。


长期以来,哥伦比亚工程创新机器实验室的研究人员对机器人和人类之间的互动很感兴趣,他们花了5年的时间创造出EVA,这是一种新的自主机器人,拥有柔软而富有表情的脸,能够响应附近人类的表情。这项研究将在2021年5月30日的ICRA会议上提交,机器人的蓝图将在Hardware-X上(2021年4月)开源。

研究人员使用AI教机器人做出面部表情 助力构建更好的信任

EVA的想法成形几年前,当我和我的学生开始注意到EVA的想法时,我的实验室中的机器人就开始通过塑料的眼睛凝视着我们,利普森说。


利普森在杂货店也观察到了类似的趋势,他在那里遇到了重新进货的机器人,它们戴着名牌,有一次还戴着舒适的手织帽子。人们似乎通过给他们的机器人同事赋予眼睛、身份或名字来赋予他们人性,他说,这让我们好奇,如果眼睛和衣服可以更换,为什么不做一个拥有超级表情丰富、反应灵敏的人脸的机器人呢?


虽然这听起来很简单,但创造一个令人信服的机器人面孔对机器人专家来说一直是一个艰巨的挑战。几十年来,机器人的身体部件一直由金属或硬塑料制成,这些材料太硬,无法像人体组织那样流动和移动。机器人的硬件也同样粗糙,难以处理——电路、传感器和电机都很重,耗电大,体积庞大。

研究人员使用AI教机器人做出面部表情 助力构建更好的信任

这个项目的第一阶段始于几年前Lipson的实验室,当时大学生Zanwar Faraj带领一组学生建造机器人的物理“机器”。他们把EVA建造成一个没有实体的半身像,与蓝人乐队(Blue Man Group)中沉默但面容生动的表演者非常相似。EVA可以表达愤怒、厌恶、恐惧、快乐、悲伤和惊讶这六种基本情绪,以及一系列更微妙的情绪,通过使用人造“肌肉”(如电缆和马达)拉EVA脸上特定的点,模仿42块附着在人脸皮肤和骨骼不同部位的小肌肉的运动。


法拉吉指出,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,以产生各种各样的面部表情。


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的头骨无缝有效地集成在一起。经过数周的拉扯缆绳让EVA微笑,皱眉,或看起来沮丧,研究小组注意到EVA的蓝色,无实体的脸可以引起他们的实验室伙伴的情绪反应。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,利普森回忆说。我知道这纯粹是机械的,但我发现自己本能地对他微笑。


一旦团队对EVA的“机制”感到满意,他们就开始着手项目的第二个主要阶段:为引导EVA面部动作的人工智能编程。虽然逼真的电子机器人已经在主题公园和电影制片厂使用多年,但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“阅读”,然后将附近人类的面部表情镜像出来。而且,EVA模仿各种不同人类面部表情的能力是通过观看自己的视频反复试验习得的。


最难自动化的人类活动包括在复杂的社会环境中发生的非重复的物理动作。李普生的博士生陈博元领导了这个项目的软件阶段,他很快意识到EVA的面部运动是一个非常复杂的过程,不能被预先定义的规则所控制。为了解决这一挑战,陈和另一个学生团队使用几个深度学习神经网络创建了EVA的大脑。机器人的大脑需要掌握两种能力:第一,学会使用自己复杂的机械肌肉系统来产生任何特定的面部表情,第二,通过“读”人类的脸来知道该做出哪些表情。


为了让EVA知道自己的脸是什么样的,陈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。经过几次改进和迭代,EVA获得了从相机中读取人脸手势的能力,并通过镜像人类的面部表情做出反应。


研究人员指出,EVA只是一个实验室实验,仅仅是模仿与人类通过面部表情进行复杂交流的方式还有很大差距。但是,这种使能技术有朝一日可能会有有益的、真实的应用。例如,能够响应各种人类肢体语言的机器人将在工作场所、医院、学校和家庭中发挥作用。


我们人类与基于云计算的聊天机器人或无实体智能家居扬声器进行情感交流的能力是有限的,Lipson说,我们的大脑似乎对具有某种可识别的实体存在的机器人反应良好。


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,所以在人类和机器之间建立信任变得越来越重要。


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