引言：长期以来，研究人员对机器人与人类之间的互动很感兴趣，因此创造了 EVA——这一新型自主机器人。其面部柔软而富有表情，可根据人类的表情做出反应。
尽管我们的面部表情在建立信任中起着巨大的作用，但大多数功能机器人仍会像职业扑克玩家一样面无表情。随着在机器人和人类需要密切合作的地方越来越多，从疗养院到仓库、工厂，对反应更快、面部逼真的机器人的需求越来越迫切。
哥伦比亚工程公司创意机器实验室的研究人员长期以来一直对机器人与人类之间的互动感兴趣，他们已经花了五年时间来创造 EVA——这一新型自主机器人，其面部柔软而富有表情，可根据周围人类的表情做出回应。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。
研究团队教授利普森曾在杂货店观察到戴着名牌的补货机器人——他戴着一顶舒适的手工编织帽。人们似乎通过给他们眼睛、身份或名字来使他们的机器人同事人性化。那如果眼睛和衣服都有效，为什么不制造一个拥有表情和反应灵敏的人脸机器人呢？虽然这听起来很简单，但对于机器人专家来说，创建令人信服的机器人面孔一直是一项艰巨的挑战。几十年来，机器人身体部位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。机器人硬件也同样粗糙且难以使用——电路、传感器和电机笨重、耗电且体积庞大。
该项目的第一阶段是几年前在利普森的实验室开始的，当时本科生Zanwar Faraj带领一群学生构建了机器人的物理“机器”。他们将 EVA 构建为一个无实体的半身像，EVA 可以通过使用人造“肌肉”（即电缆和马达）拉动 EVA 脸上的锚点来表达愤怒、厌恶、恐惧、喜悦、悲伤和惊讶六种基本情绪以及一系列更细微的情绪，仿生模仿附着在人脸皮肤和骨骼不同点上的 42 多块微小肌肉的运动。
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。为了克服这一挑战，该团队依靠 3D 打印来制造形状复杂的零件，这些零件与 EVA 的头骨无缝高效地集成在一起。经过数周的拉扯电缆让 EVA 微笑、皱眉或看起来很沮丧后，该团队注意到 EVA 的蓝色、无实体的面孔可能会引起实验室伙伴的情绪反应。“有一天，当 EVA 突然给我一个大大的、友好的微笑时，我正忙着自己的事，”利普森回忆道。“我知道这纯粹是机械性的，但我发现自己条件反射地回以微笑。”
一旦团队对 EVA 的“机制”感到满意，他们就开始着手解决该项目的第二个主要阶段：对指导 EVA 面部动作的人工智能进行编程。虽然栩栩如生的电子动画机器人多年来一直在主题公园和电影制片厂场景中应用，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来“阅读”并学习周围人的表情，然后让机器人镜像表现。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来学习的。领导该项目软件阶段的 Lipson 博士生 Boyuan Chen 很快意识到，EVA 的面部运动过程过于复杂，无法由预定义的规则集控制。为了应对这一挑战，学生们使用多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：首先，学会使用自己复杂的机械肌肉系统来生成任何特定的面部表情；其次，通过“阅读”人类的面孔来知道要制作哪些面孔。
为了教 EVA 自己的脸是什么样子，团队们拍摄出EVA自己制作一系列随机面孔的镜头。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脸部的视频片段配对。现在 EVA 对自己的面部如何工作（称为“自我形象”）有了初步的了解，它使用第二个网络将自己的自我形象与其摄像机拍摄的人脸图像进行匹配。经过多次改进和迭代，EVA获得了从相机读取人脸手势并通过镜像人的面部表情做出响应的能力。
研究人员指出，EVA 是一项实验室实验，与仅靠模仿人类使用面部表情进行交流的复杂方式相去甚远。但这种技术有一天可能会在现实世界中产生有益的应用。例如，能够对各种人体语言做出反应的机器人将在工作场所、医院、学校和家庭中发挥作用。
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