Японським інженерам вдалося за один прохід надрукувати на 3D-принтері голову людиноподібного робота з усією необхідною механікою, щоб той міг мавпувати емоції на обличчі одного з розробників. Пластичність шкірі забезпечується візерунком виступів, а мімічний механізм має 31 ступінь свободи, з чим робот спокійно може посміхнутися або нахмурити чоло. Стаття про робота доступна на сервісі препринтів від IEEE TechRxiv.
ibuki - A child-like android / YouTube
Як наділити робота мімікою?
Для соціальних ролей добре підходять людиноподібні роботи, які вже достатньо антропоморфні, щоб походити на нас, але ще не достатньо емоційні, щоб нам подобалося з ними спілкуватися. Дослідження показують, що люди частіше припиняють комунікацію з роботами, якщо ті мають обмежені рухи для жестикуляції, а тим паче емоції. Міміка є важливою частиною невербальної комунікації, яка не просто може вплинути, наприклад, на нашу довіру співрозмовнику, а і допомагає краще його зрозуміти. А оскільки роботи прагнуть стати нашими співрозмовниками або щоб підмінити оператора на місці, або щоб виконувати за нас монотонну роботу у сфері обслуговування (наприклад, реєстрація в аеропорті), їм варто було б навчитися передавати чіткіший ефект присутності. Тому у своїй роботі дослідники зосередилися на тому, щоб знайти спосіб простого виготовлення людиноподібного робота, здатного реалістично відтворювати людський зовнішній вигляд і та поводитися більш природно під час соціальних взаємодій.
Істотною причиною того, чому ми досі не можемо поспілкуватися із роботом у тому ж аеропорту є складність виробничого процесу. Більшість розроблених андроїдів створюються за допомогою силіконової оболонки, яка може рухатися виконавчими механізмами (пневматичними циліндрами або електродвигунами) через кабелі. Зазвичай за «шкірою» знаходиться оболонка з пластику або іншого матеріалу, яка дозволяє їй зберігати форму людського обличчя та містить вбудовані механізми. Так форму обличчя виготовляють за допомогою пресформ, а корпус і механічні частини виготовляються окремо. Затим з них вже окремо складають робота. Однак такий традиційний виробничий процес займає багато часу, а розробка індивідуальних андроїдів буде надзвичайно дорогою. Тому у своїй роботі дослідники спробували звернутися до 3D-друку, який не просто скоротив би час і витрати на виготовлення за рахунок одночасного створення і гнучкої «шкіри», і жорстких матеріалів на каркас та виконавчі механізми.
Як надрукувати емоційне обличчя?
Разом з тим, як ми навчилися передавати емоції виконавчими механізмами, 3D-принтери навчилися друкувати одночасно як жорсткі, так і гнучкі матеріали, що вчені і намагаються використати для здешевлення технологій. Наприклад, нещодавно ми писали про скатоподібного робота, для якого розробили метод виготовлення повністю за допомогою 3D-принтера. Він і вимагав набагато менших інженерних зусиль, і поплавав швидше за подібних роботів. Так само за допомогою 3D-друку вдалося відтворити крило сарани, яке зробить дрони дешевшими та більш ефективними. Тривимірним принтерам не потрібні пресформи, які зазвичай використовуються у традиційному виробництві, тож модифікація дизайну для 3D-друку виконується легко. Втім, не зважаючи на це, за словами інженерів, ця робота є першою спробою відтворити людське обличчя та наділити його мімікою цілком завдяки 3D-друку.
Головною проблемою, з якою стикнулися вчені, було відтворення кругового м'яза навколо рота, від якого у більшості і залежить виражена емоція. Це кільцева структура, яка деформує поверхню шкіри. Причому цей механізм деформації відрізняється від зазвичай використовуваних для роботів важелів, що відтягують лише певну точку на шкірі. Якщо просто натягнути силікон на каркас та почати його рухати, біля ротового отвору з'являлися неприродні здуття, які спотворювали вираз обличчя та робили робота загалом неприємним. Тому інженери спробували дещо модифікувати матеріал, що стане майбутньою оболонкою робота, так щоб він міг передати цю особливість людського обличчя. Додаткові кільцеві виступи товщиною в один міліметр зробили форму рота більш гнучкою, а під час спроб повторити емоцію, ребриста «шкіра» деформувалася природним чином. Загалом візерунок мав різні виступи глибиною до 1,8 міліметра на полімері товщиною у три міліметри. Геометрію візерунка вчені розрахували з огляду на можливості 3D-принтера. Полімер може розтягуватися до 200 відсотків, а завдяки прозорому або білому кольору, його можна пофарбувати, щоб відтворити справжній колір і текстуру шкіри людини.
Як покривлявся робот?
Дослідники також звернули увагу на те, що їхня конструкція має вміти модифікуватися, щоб передавати емоції різних людей, хоча це і залежить від форми обличчя. Тобто точки з'єднання на обличчі робота, які керуються виконавчими механізмами, повинні легко змінюватися. Але 3D-друк дав змогу уникнути цього аспекту — оскільки для андроїда нема необхідності вручну збирати компоненти, за винятком виконавчого механізму, це дозволяє розміщувати точки з'єднання з високою щільністю. Так у робота з'явилися 31 ступінь свободи — точки підключення, які можна буде вибірково запускати. Також у пропонованому методі вдалося зменшити кількість деталей — виконавчий механізм містить всього кілька двигунів, які прикріплені одним блоком. Тож він зовсім не впливає на форму обличчя і буде універсальним для будь-якого каркаса.
Для експерименту дослідники записали на відео емоції одного з розробників, де розмістили візуальні маркери для цифрового запису рухів у тих же точках, де знаходяться точки з'єднання у робота. Через обмеження швидкості двигуна, частоту сигналів довелося зменшити зі 120 до 40 герців, тому робот рухався в три рази повільніше, ніж реальна швидкість руху людини. Однак, йому все ж вдалося повторити посмішку, відразу та спокійне обличчя.
Поки голова має достатньо обмежень: геометрію візерунка для більшої емоційності все ж довелося попередньо розробляти вручну, а матеріал для «шкіри» має забезпечувати краще передавання емоцій при обмежених силах. Також вчені не реалізували черепоподібну структуру на тильній стороні, хоча це може дозволити активніше рухати ротом. Однак, на їхню думку, за такою технологією можна виготовити і все тіло робота, а не лише голову. Так доведеться знайти приводи з більшою потужністю, а також застосовні до 3D-друку сенсорні датчики. Також у надрукованого андроїда не було язика, який також впливає на міміку. Втім, штучний інтелект вже навчився показувати язика, тож андроїди зможуть використати алгоритм, щоб уникнути ефекту моторошної долини.