Человекоподобных роботов выдали слишком простые движения кожи лица

Кожа многих человекоподобных роботов во время мимических движений смещается не так, как у людей, что может объяснять их нереалистичность, выяснили ученые из Японии. Они использовали высокоточную инфракрасную систему слежения и показали, что кожа роботов двигается линейно, а не по кривой траектории, а по высоте изгибается и вовсе противоположным образом. Статья опубликована в журнале Frontiers in Robotics and AI.

Начиная с первого употребления слова «робот» в 1920 году писатели и инженеры чаще всего подразумевали под ним человекоподобную машину. Изначально инженеры рассматривали человекоподобность роботов как безусловное благо, помогающее людям относиться к ним с доверием или хотя бы без страха. Однако по мере развития технологий и прототипов инженеры обнаружили эффект зловещей долины, который заключается в том, что повышение реалистичности робота делает его привлекательнее для человека лишь до определенного уровня. Выяснилось, что очень реалистичные, но все же неидеальные роботы вызывают у человека отвращение и страх из-за небольших отличий от привычного облика и поведения людей.

Ученые и инженеры трудятся над решением проблемы зловещей долины, работая в разных направлениях: совершенствуют технологии, особенно искусственные части лица и алгоритмы управления ими или же наоборот ищут способы снизить реалистичность роботов, чтобы увеличить привлекательность в глазах людей. Но в основном усилия разработчиков реалистичных человекоподобных роботов в последние годы были сконцентрированы на улучшении их внешнего вида, то есть качества искусственной кожи, глаз и других органов, а не на том, как они двигаются во время речи и других занятий. Хисаси Исихара (Hisashi Ishihara) и его коллеги из Осакского университета решили внимательнее изучить разницу между движениями частей лица реалистичных роботов и людей, чтобы понять, как именно нужно улучшить мимику будущих роботов.

Они исследовали лицевые движения взрослых людей (трех добровольцев мужского пола) и двух роботов: женщины, у которой за движения лица отвечают 9 актуаторов, и ребенка, оснащенного 16 актуаторами. Исследователи воспользовались системой кодирования лицевых движений (FACS), описывающей 46 движений (называемых двигательными единицами) частей человеческого лица и позволяющей описать с их помощью любое выражение лица. У использованных в работе роботов количество возможных движений из FACS равняется количеству актуаторов: 9 и 16.

Исследователи закрепили на правой половине лица добровольцев и роботов от 103 до 125 инфракрасных маркеров, в зависимости от испытуемого. Инфракрасный маркер — это полусфера диаметром три миллиметра с поверхностью, которая хорошо отражает инфракрасное излучение. В комнате для экспериментов была установлена система камер, позволяющая отслеживать движение каждого маркера в пространстве с точностью менее 0,5 миллиметра. Во время эксперимента роботы и люди сначала показывали нейтральное выражение лица, а затем выполняли все доступные им двигательные единицы.

После съемки испытуемых ученые сначала привели размеры их лиц к одному, а затем интерполировали вектора смещения инфракрасных маркеров в каждый момент времени так, чтобы создать вместо них решетку из точек с периодом в миллиметр и соответствующих векторов смещения. Таким образом, они получили для каждой двигательной единицы карты, на которых видно смещение точек лица во время движения как в плоскости, так и по высоте.

Получив карты смещений, ученые сравнили их для трех основных типов двигательных единиц, описывающих движения в области глаз, лба и рта. На картах видно, что даже при таких локальных движениях на самом деле смещение происходит по всему лицу. Кроме того, при этом происходят не только смещения вдоль поверхности лица, но и изменения высоты кожи в разных областях.

Проанализировав данные, ученые выделили две группы различий в мимических движениях роботов и людей. Во-первых, движения частей лица роботов, особенно в области глаз и лба, в основном линейны и вертикальны, тогда как для людей они имеют более сложные кривые траектории. Кроме того, у людей оказался выше коэффициент структурной сложности движения, учитывающий направления движений вокруг точек с пиковым движением.

Во-вторых, у людей и роботов по-разному меняется высота кожи во время мимических движений: у роботов кожа поднимается по направлению движения, а у людей наоборот опускается. Ученые объясняют это принципами работы мышц и актуаторов роботов подъем кожи со стороны направления движения обусловлен простым переносом объема материала, а у людей кожа наоборот опускается из-за того, что мышцы прикреплены к коже и кости по диагонали, сокращаются в длину и увеличиваются в ширину:

Авторы исследования отмечают, что у него есть важные ограничения: эксперименты проводились над двумя роботами одного разработчика с похожим принципом работы актуаторов, а в качестве людей выступали три мужчины-японца. При использовании более разнообразного состава испытуемых результаты могут отличаться. Тем не менее они считают, что разработчики могут использовать эту методику измерения разницы в движениях их роботов и людей, чтобы делать роботов реалистичнее.

Исследования показывают, что даже не очень реалистичные роботы все равно вызывают у людей психофизиологические реакции, похожие на те, которые происходят при взаимодействии с людьми. В прошлом году финские ученые выяснили, что взгляд робота и человека вызывает у людей одни и те же реакции, в том числе эмоциональное возбуждение и сосредоточение внимания.

Григорий Копиев