Rob� aprende a identificar express�es faciais humanas e a interagir

A intera��o entre rob�s e humanos tem sido cada vez mais recorrente – aut�matos “trabalhando” com equipes de asilos, bancos e montadoras de carros deixaram de ser obra da fic��o, por exemplo. Faltam, por�m, demonstra��es de emo��o nessa parceria. Isso porque a maioria dos rob�s ainda exibe um rosto vazio e est�tico. 

Na tentativa de solucionar o problema, cientistas da Escola de Engenharia e Ci�ncia Aplicada da Universidade de Columbia, nos Estados Unidos, usaram intelig�ncia artificial para ensinar as m�quinas a fazerem express�es faciais humanas reativas apropriadas. Dessa forma, elas conseguem, por exemplo, retribuir o sorriso de um colega de trabalho.

A fa�anha � fruto de um projeto, desenvolvido h� cinco anos, que resultou no surgimento de EVA. O rob�, cujos projetos s�o de c�digo aberto, foi apresentado na Confer�ncia Internacional de Rob�tica e Automa��o.

“A ideia de EVA tomou forma h� alguns anos, quando meus alunos e eu come�amos a notar que os rob�s do nosso laborat�rio estavam olhando para n�s com olhos arregalados de pl�stico”, conta, em comunicado, Hod Lipson, professor de inova��o da universidade estadunidense e participante do estudo.

Observa��es em outras atividades cotidianas – como rob�s, em lojas, usando crach�s e roupas tricotadas a m�o – tamb�m inspiraram a equipe. “As pessoas pareciam estar humanizando seus colegas rob�ticos, dando-lhes olhos, uma identidade ou um nome”, diz Lipson. “Isso nos fez pensar: ‘Se olhos e roupas funcionam, por que n�o fazer um rob� com um rosto humano superexpressivo e responsivo?’”

A tarefa n�o � simples. Durante d�cadas, os aut�matos foram feitos de metal ou pl�stico r�gido. O hardware rob�tico tem sido igualmente de dif�cil de maleabilidade, com circuitos, sensores e motores pesados e volumosos.

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Hod Lipson, professor de inova��o da universidade estadunidense e participante do estudo

A primeira fase do projeto come�ou no laborat�rio de Lipson, quando o estudante de gradua��o Zanwar Faraj liderou uma equipe de alunos na constru��o do maquin�rio f�sico de EVA. Ele ganhou um busto sem corpo, mas com anima��o facial.

EVA pode expressar as seis emo��es b�sicas – de raiva, nojo, medo, alegria, tristeza e surpresa –, bem como uma s�rie de express�es mais matizadas. Para isso, usa m�sculos artificiais, ou seja, cabos e motores que puxam pontos espec�ficos do rosto, imitando os movimentos de mais de 42 min�sculos m�sculos presos em v�rios pontos da pele e dos ossos da face humana.

Zanwar Faraj conta que o tamanho do maquin�rio era um
dificultador. “O maior desafio na cria��o de EVA foi projetar um sistema que fosse compacto o suficiente para caber dentro dos limites de um cr�nio humano, embora ainda fosse funcional o suficiente para produzir uma ampla gama de express�es faciais”, detalha.

IMPRESS�O 3D

Para superar esse desafio, a equipe recorreu � impress�o 3D. A partir dessa tecnologia, foram fabricadas pe�as com formas complexas e que se integraram, de maneira eficiente, ao cr�nio do rob�. Depois de semanas puxando cabos para fazer EVA sorrir, franzir a testa ou parecer chateado, a equipe percebeu que o rosto azul e sem corpo do aut�mato poderia provocar respostas emocionais nos colegas de laborat�rio.

“Certo dia, eu estava cuidando da vida quando EVA, de repente, me deu um grande e amig�vel sorriso. Eu sabia que era puramente mec�nico, mas me vi sorrindo de volta por reflexo”, lembra Lipson.

Satisfeitos com a solu��o mec�nica, os cientistas come�aram a programa��o para que a intelig�ncia artificial (IA) passasse a guiar os movimentos faciais de EVA. Nesse ponto, tamb�m avan�aram. O rob� usa IA de aprendizado profundo para ler e, em tempo real, espelhar express�es faciais humanas.

A capacidade de imitar uma ampla gama de fisionomias foi aprendida por tentativa e erro enquanto a m�quina assistia a v�deos de si mesma.

Boyuan Chen, aluno de PhD de Lipson, percebeu que os movimentos faciais de EVA eram um processo muito complexo para ser regido por conjuntos de regras predefinidas.

A partir de ent�o, liderou uma equipe para criar o c�rebro do aut�mato usando v�rias redes neurais de aprendizado profundo que permitissem a realiza��o de duas habilidades: primeiro, aprender a usar o pr�prio sistema complexo de m�sculos mec�nicos para gerar qualquer express�o facial particular e, segundo, saber quais faces fazer ao “ler” rostos humanos.

AUTOIMAGEM

Para ensinar ao aut�mato como era o pr�prio rosto, a equipe o filmou durante horas fazendo uma s�rie de express�es faciais aleat�rias. Ent�o, como um humano se observando em um v�deo, as redes neurais internas de EVA aprenderam a emparelhar o movimento muscular a partir de imagens do pr�prio rosto. Assim, o rob� ganhou uma no��o primitiva de como sua face se mexia, o equivalente a uma autoimagem.

Uma segunda rede o ajudou a combinar a pr�pria imagem com a de um rosto humano capturada em sua c�mera de v�deo. Ap�s v�rios refinamentos e itera��es, o aut�mato adquiriu a capacidade de ler as express�es faciais em uma c�mera e a de responder, em tempo real, de forma espelhada.

Os pesquisadores observam que o projeto � um experimento de laborat�rio e “est� muito longe” das formas complexas como os humanos se comunicam. Mas enfatizam que � grande a possibilidade de essas tecnologias terem aplica��es ben�ficas no mundo real.

“H� um limite para o quanto n�s, humanos, podemos nos envolver emocionalmente com aut�matos, chatbots baseados em nuvem ou alto-falantes dom�sticos inteligentes sem corpo”, admite Lipson. 

“Por�m, nosso c�rebro parece responder bem a rob�s que t�m algum tipo de presen�a f�sica reconhec�vel.” Boyuan Chen acrescenta: “Os rob�s est�o interligados � nossa vida de v�rias maneiras. Ent�o, construir confian�a entre humanos e m�quinas � cada vez mais importante.”