Come far sorridere un robot

In una piega completamente nuova del vecchio adagio, Sorridi e il mondo sorride con te, accigliato e accigliato da solo, i ricercatori giapponesi stanno producendo una generazione di robot in grado di identificare le espressioni facciali umane e quindi rispondere ad esse. Un team guidato da Fumio Hara, professore di ingegneria meccanica presso l'Università delle Scienze di Tokyo, ha costruito una testa robotica femminile in grado sia di riconoscere che di esprimere paura, felicità, sorpresa, tristezza, rabbia e disgusto.

L'obiettivo principale del progetto di Hara, che è supportato da una sovvenzione quinquennale di 3 milioni di dollari da parte del governo giapponese, non è semplicemente quello di produrre una versione robotica di Monkey-see, Monkey-do. Invece, l'obiettivo è creare robot che empatizzino con noi e ci facciano sentire più a nostro agio mentre leggono i cambiamenti emotivi espressi nei nostri volti. I ricercatori si aspettano che questi robot visivamente emotivi sarebbero apprezzati dagli operai delle fabbriche costretti a condividere la linea con i compagni di lavoro elettronici. I robot possono anche essere utili come sussidi didattici per alcuni bambini autistici che hanno un disturbo della comunicazione che rende loro difficile comprendere le espressioni facciali e rispondervi correttamente.

Questa storia faceva parte del nostro numero di ottobre 1997

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Una caratteristica sorprendente della ricerca di Hara è la sua genesi. Durante la grande espansione economica in Giappone negli anni '70, iniziarono a verificarsi incidenti negli impianti chimici di nuova costruzione. Hara ipotizzò che gli operatori dell'impianto avessero difficoltà a individuare i problemi leggendo banchi di pannelli di lettura digitale. Pensavo che ciò di cui avevano bisogno fosse una visione più globale di ciò che stava accadendo nello stabilimento, dice, e se qualcosa andava storto, poteva essere espresso, ad esempio, come una faccia triste.

Ahimè, gli ingegneri hanno presto affrontato grandi ostacoli. Hanno scoperto che non solo era difficile assegnare le espressioni facciali all'ampia gamma di errori operativi - da un disordinato impianto a pericolosi cambiamenti di temperatura o pressione nel processo di produzione - ma anche che i singoli operatori umani interpretavano le stesse espressioni in modi diversi . Il compito di legare le espressioni facciali alle condizioni delle piante alla fine si è rivelato così complesso che Hara ha rinunciato alla ricerca.

Ma a metà degli anni '80, quando uno dei suoi studenti espresse interesse per la ricerca robotica, Hara si chiese se l'approccio dell'espressione facciale, sebbene un fallimento a livello vegetale, potesse funzionare tra i singoli robot e gli umani. Ha iniziato facendo uso del lavoro di Paul Ekman, professore di psicologia all'Università della California a San Francisco, che ha diviso i movimenti delle espressioni facciali umane in 44 categorie, o unità di azione. Ogni unità di azione corrisponderebbe a un movimento individuale, come le sopracciglia che si alzano o si abbassano o le labbra che si increspano. La combinazione di unità di azione in vari modi ha prodotto espressioni diverse. Ad esempio, il disgusto implica abbassare la fronte, arricciare il naso e sollevare il mento.

A partire dagli anni '90, il gruppo di Hara ha iniziato a creare sei espressioni - paura, felicità, sorpresa, tristezza, rabbia e disgusto - che, secondo Ekman, sono universali per tutte le culture umane. Il team ha costruito una testa robotica in alluminio con 18 microattuatori azionati dalla pressione dell'aria, in pratica minuscoli ingranaggi, in grado di imitare 26 movimenti facciali. Il passo successivo è stato quello di colare una faccia in gomma siliconica da uno stampo preso da uno degli studenti maschi del laboratorio. Poiché il gruppo di soli maschi desiderava una presenza femminile in laboratorio, hanno femminilizzato il viso maschile aggiungendo una parrucca di capelli naturali, guance imbellettate e rossetto. Anche la testa era dotata di dentiera.

Attraverso tentativi ed errori, i ricercatori hanno collegato minuscoli fili dagli attuatori a punti sulla maschera che, una volta spostati, avrebbero ricreato le unità di azione necessarie per riprodurre le sei espressioni desiderate. Anche la testa e i bulbi oculari del robot sono stati progettati per eseguire movimenti simili a quelli umani. Infine, gli ingegneri giapponesi hanno messo una minuscola telecamera nell'occhio sinistro del robot per scansionare un volto umano quando posizionato a circa un metro di distanza. Un computer collegato alla fotocamera ha determinato l'espressione della persona cercando variazioni di luminosità in diverse aree del viso.

Il computer ha osservato i cambiamenti nelle aree scure - occhi, bocca, naso e sopracciglia - che si verificano quando un viso passa dalla sua espressione neutra e priva di emozioni a quella che mostra una delle sei emozioni. Utilizzando un programma di autoapprendimento basato su una rete neurale, il computer è stato finalmente in grado di riconoscere entro 60 millisecondi come i cambiamenti nei modelli di luminosità del viso di un individuo fossero correlati alle espressioni di un dato sentimento. Tale velocità di elaborazione, combinata con i perfezionamenti nel design degli attuatori, ha consentito alla faccia in silicone del robot di rispondere ai cambiamenti nell'espressione con una velocità simile a quella umana.

Il robot era sorprendentemente preciso, indovinando correttamente le espressioni dei soggetti del test, in media, l'85 percento delle volte. È andato altrettanto bene anche come attore facciale. In effetti, un gruppo di studenti ha identificato correttamente le espressioni del robot l'83 percento delle volte. In confronto, gli stessi studenti hanno identificato le espressioni facciali di attori professionisti l'87% delle volte.

Da quando i resoconti delle prestazioni del robot sono apparsi per la prima volta nei primi anni '90, Hara è stato avvicinato da alcune parti inaspettate. Questi includevano un artista interessato a creare quella che crede sia una nuova forma d'arte - umani e robot che reagiscono alle reciproche espressioni - e diversi psicologi in Giappone che pensano che un simile robot potrebbe aiutare alcuni bambini portatori di handicap a superare le difficoltà nel manifestare espressioni appropriate. Gli psicologi farebbero agire il robot come una sorta di suggerimento bidirezionale, ad esempio, dimostrando che aspetto ha un sorriso felice e, dopo aver assunto un'espressione neutra, indicando quando il bambino ha sorriso ricambiando il sorriso.

Più immediatamente, il team di Hara sta lavorando su un robot boccale i cui attuatori imiterebbero realisticamente i movimenti delle labbra durante il discorso. Un robot del genere potrebbe aiutare le persone con disabilità del linguaggio, dice Hara, perché gli studi mostrano che oltre il 50 percento della comprensione del linguaggio deriva da
espressione facciale e movimenti.

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