Inhoudsopgave
    

Deze Belg wil robots minder eng maken
Laurens Lammers
door Laurens Lammers
leestijd: 8 min

Zijn humanoïde robots nog eng om naar te kijken? En wekken ze daarmee afkeer? De Belgische mechatronicus Gabriël Van De Velde vindt van wel. Hij bedacht daarom een methode om een robotmond heel menselijk te laten bewegen.

Volgens Wikipedia is een 'humanoïde' robot een machine die een lichaamsvorm heeft die lijkt op die van een mens, in tegenstelling tot ander vormige machines, zoals industrierobots of de robothond AIBO. Veel mensen kennen de robot vooral uit de wereld van science fiction, bijvoorbeeld via films als Star Wars, Transformers en Spaceballs. Anno 2017 behoren humanoïde robots echter al lang niet meer uitsluitend tot de fantasie. Sterker: robots met menselijke eigenschappen worden tegenwoordig in tal van bedrijfstakken gebruikt en hebben allerlei alledaagse sociale functies. 

Volgens de recent afgestudeerde Belgische robotingenieur Gabriël Van De Velde (24) worden sociale robots steeds menselijker, zowel wat betreft uiterlijk als gedrag. "Ze worden ook steeds vaker ingezet voor communicatie met mensen - bijvoorbeeld in de zorg", zegt hij. "Het kan dan erg helpen als ze er ook echt als mensen uitzien. Het is alleen niet eenvoudig om zo'n humanoïde robot te ontwerpen. Eén van de grootste uitdagingen voor robotbouwers is om een mensachtige robot te maken die niet griezelig is en afkeer opwekt."

Onaangenaam gevoel

Humanoïde robots kunnen volgens Van De Velde allerlei complexe dingen uitvoeren, maar geven qua bewegingen van hoofd, armen en benen bij veel mensen vaak nog een onaangenaam of irritant gevoel. "De meeste mensen voelen zich ook onbehaaglijk bij slechte imitaties van dieren en mensen, een verschijnsel dat in de psychologie bekend staat als het 'Uncanny Valley'-effect. Dit geldt nog in ernstiger mate voor humanoïde robots, omdat afwijkingen in hun bewegingen en gedrag ons onmiddellijk opvallen", aldus Van De Velde.

Om menselijke robots te bouwen die niet als onaangenaam worden ervaren, is volgens de robotingenieur een zeer precieze nabootsing van de menselijke mimiek nodig, waarbij de communicatie is verstopt achter een mooi, interactief en intuïtief te hanteren interface. Van De Velde: "Tot nu toe gebeurt dat veelal door de motoren die de lippen van de robot aansturen handmatig af te regelen. Dat duurt echter lang en is kostbaar. Alternatieve methoden maken gebruik van complexe computermodellen. Maar zulke modellen geven slechts een benaderend resultaat."

Robotmond

Voor de Belg was het afgelopen jaar aanleiding om in alle stilte te werken aan het verbeteren van de bewegingen van robots en specifiek van de robotmond, volgens Van De Velde het belangrijkste onderdeel van het hoofd van een sociale robot. Het plan daarbij was om een methode te bedenken om de mondbewegingen automatisch te kunnen kalibreren of aan te sturen. "Als oplossing hiervoor heb ik een speciaal algoritme geschreven voor het nabootsen van 52 verschillende mondbewegingen in het gezicht van een zelfgebouwde robot", aldus Van De Velde.

Laten we bij het begin beginnen: het idee voor het maken van een perfecte robotmond begon bij het redesignen van de robot genaamd Probo. Klopt dat?

"Klopt. Ik ben afgestudeerd in de Burgerlijke Ingenieurswetenschappen aan de Vrije Universiteit Brussel. Het onderzoek naar de knuffelrobot Probo was hoofdonderdeel van mijn thesis of afstudeerscriptie. Probo is geen humanoid die op een mens lijkt. Sterker: Probo is een olifant die een mond en een slurf heeft en ogen die kunnen knipperen. Daarnaast kan hij ook lachen en treurig kijken en deelnemen aan een interactie met mensen zonder te praten. Vanwege al die mogelijkheden wordt deze robot ook veel gebruikt in studies met betrekking tot autisme bij kinderen. Probo is daarnaast ook een soort van onderzoeksplatform waarop je op een gecontroleerde manier experimenten kunt uitvoeren. De robot is verder al vrij oud en kon een redesign dus goed gebruiken. Mijn opdracht daarbij was om een hele nieuwe versie van de mond te bouwen. Heel veel aan de robot was al 'gedesigned'. Maar dat gold niet voor de mond. De aansturing hiervan was ook vrij beperkt. Op de ontwerptekening van Probo zagen veel onderdelen er vrij recht-toe-recht-aan uit. Vooral de mond  moest echter veel beter kunnen. Daarom ben ik hiervoor een ander design gaan maken. En dat was het begin van mijn onderzoek." 

Je bent dus gaan kijken hoe je de mond anders of menselijker kon gaan maken? 

"Klopt. Een vraag die ik daarbij had was: hoe kan ik een robot een specifieke expressie of mondvorm laten weergeven? Ik wist niet precies hoe ik dat moest doen. In zo'n robot zitten bepaalde motoren verstopt. Als je die aanstuurt, vervormt de robot. Je kunt de motor dan met de hand zo instellen dat je  een bepaalde expressie kunt krijgen. Je kunt dus niet zeggen: ik wil nu dat de robot die bepaalde expressie heeft. Dit is omdat je op voorhand de motorinstellingen niet kent. En dat is heel moeilijk. Wat ontwerpers dan vaak doen is 'iteratief' te werk gaan ofwel steeds herhalend. Ze voeren dan een soort van kalibratie uit. Als je bijvoorbeeld wilt dat de robot glimlacht, moet je deze bepaalde instellingen doorgeven aan de motoren. Die instellingen worden daarna steeds lichtjes aangepast totdat je een beter resultaat krijgt. Als je echter van tevoren niet weet wat de motoren doen, is dat een ramp."

Je bent vervolgens zelf een robot gaan bouwen om je onderzoek naar de bewegende mond te kunnen doen. Hoe was dat? 

"Het is niet echt een robot, maar een constructie waarin een zelfgemaakte mond zit. Die mond kan zich vervormen en wordt aangestuurd door een aantal motoren voor de bewegingen van de mond. De constructie zelf is overigens vrij klein en meet 20 x 27 x 15 centimeter. De mond is ook op ware grootte gemaakt. Als materiaal voor het bouwen van de mond heb ik Ninjaflex gebruikt. Dat is een flexibel en rubberachtig filament dat ook wordt gebruikt bij het 3D-printen en vrij prettig werkt als materiaal. Om de aansturing van de robotmond te onderzoeken en te verbeteren ben ik deze constructie zelf gaan bouwen als een soort testrobot. Dat leek mij het eenvoudigste."

Hoe lang ben je in totaal met de bouw van die constructie bezig geweest?

"Vier tot vijf maanden. Het bouwen was ook heel leuk. Maar het was vooral een gigantische uitdaging om ermee aan de slag te gaan."

Een belangrijk doel van je onderzoek was een robot te maken die niet griezelig is of afkeer opwekt. Zijn veel robots nog steeds eng voor mensen? Sociale robots, zoals de Japanse geminoids, zien er toch heel menselijk uit? 

"Het zijn robots die op mensen lijken, maar ik vind sommige geminoids toch nog wel griezelig. Of niet echt griezelig, maar je krijgt er wel een bepaalde afkeer van. Dit omdat je vaak ziet dat er een afwijking is met wat je van zo'n robot verwacht en wat hij doet. Omdat de robot erg op een mens lijkt, gaan mensen er ook heel veel dingen van verwachten die hij niet waar kan maken. Een humanoid moet er niet alleen uitzien als een mens, maar zich ook zo gedragen. Als dat niet zo is, dan krijg je daar een onaangenaam gevoel van."

Jij vergelijkt humanoïde robots zelfs met zombies. Heb je ook voorbeelden hiervan ofwel bestaande sociale robots die ook echt worden gebruikt en mensen een onbehaaglijk gevoel geven?

"Nee. Maar mensen houden niet van slechte imitaties. Vergelijk bijvoorbeeld een mens met een lijk en een zombie. Van alledrie verwacht je het gewone gedrag van een mens. Bij het lijk en de zombie heb je echter een afkerig gevoel, omdat er iets niet klopt of niet juist bij ze is. De zombie is daarbij nog griezeliger dan de dode. Bij humanoïde robots vallen afwijkingen in hun bewegingen en gedrag ons onmiddellijk op. Volgens de Uncanny Valley-theorie hebben mensen echter de meeste afkeer van imitaties die maar een heel klein beetje afwijken van de mens. Om een humanoïde robot te bouwen die mensen geen onaangenaam gevoel geeft, is dus een zeer precieze nabootsing van de menselijke mimiek en beweging nodig. Voor robotontwerpers en 'robot controllers' is dat heel lastig. Een robot moet heel dicht tot de mens staan, willen mensen deze kunnen accepteren."

Een goede sociale robot moet de juiste tools hebben. Dat wil zeggen: een mooie vorm, die goed op een mens lijkt, maar ook een correcte aansturing. Volgens jou is het vooral deze aansturing die ervoor zorgt dat robots vaak nog griezelig ogen, klopt dat?

"Exact. Het effect van de 'griezelvallei' wordt versterkt door de beweging van een robot of door hoe je hem hiervoor aanstuurt. Je kunt een robot nog zo mooi maken en miljoenen euro's in de bouw steken: als je hem niet goed aanstuurt - en de robot heeft daar ook nog een rare expressie bij, dan ontstaat er automatisch afkeer bij gebruikers. Je maakt dan ook niet gebruik van het volledige potentieel van zo'n robot."

Dat de nabootsing van menselijke bewegingen bij robots vaak nog handmatig wordt afgeregeld, ontdekte je tijdens je onderzoek. Wat houdt dat 'kalibreren' met de hand eigenlijk precies in of hoe werkt dat? 

"Om een robot een bepaalde expressie te laten weergeven, moet je de motoren van de robot op een bepaalde manier afregelen. De goede instellingen ken je alleen op voorhand niet. Dus moet je daar op zoek naar gaan. Dat heet kalibreren, oftewel 'instellen'. Je gaat op zoek naar de juiste instellingen om het gewenste resultaat te krijgen. Omdat je verder geen speciale tools hebt om deze kalibratie uit te voeren, moet je dat met de hand doen. Het houdt in dat de persoon die de kalibratie uitvoert naar de robot kijkt en zelf manueel de parameters van de motoren aanpast. Hij doet dit vervolgens net zo lang totdat deze kloppen. Dat alles gebeurt in de fabriek, dus nog voor zo'n robot op de markt komt. Een robot laten glimlachen is alles bij elkaar dus best moeilijk. Als je niet precies weet hoe je een robot moet laten glimlachen, kun je hem dat ook niet 'vragen'. Stel je hem verkeerd in, dan zal het resultaat ook niet goed zijn. Het gebruik van complexe computermodellen blijkt verder ook geen oplossing te bieden. Die benaderen de bewegingen van mensen slechts ten dele en maken deze niet precies na, waardoor verdere handmatige fijnregeling noodzakelijk blijft."

Dit handmatig kalibreren werkt dus wel, maar duurt heel lang en is daardoor ook kostbaar?

"Precies. Manueel kalibreren geeft ook een gigantisch probleem. Als je een robot hebt met zes motoren en je moet elke motor zelf aanpassen, dan neemt dat heel veel tijd in beslag. Wanneer je bijvoorbeeld zes verschillende emoties hebt en je moet voor elke emotie zes motoren apart aansturen, dan ben je hier 36 keer mee bezig. Hoe gespecialiseerder een robot is, hoe lastiger, tijdrovender en kostbaarder dit wordt. Bij complexe computermodellen wordt de weergave van emoties vastgelegd in een computerprogramma. Het nadeel daarvan is dat een vervorming van het materiaal waaruit de robot bestaat heel moeilijk is te modelleren op de computer. Er blijft daardoor altijd een verschil tussen wat de robot op de computer en wat hij in het echt laat zien. Wil je die verschillen eruit krijgen, dan moet je een heel complex computerprogramma maken of kopen. En dat kost heel veel geld."

Als oplossing heb je uiteindelijk een algoritme ontwikkeld. Daarvoor werden 52 foto's van verschillende mondvormen in een menselijk gezicht gebruikt. Kun je eenvoudig uitleggen wat dit algoritme doet of hoe het werkt? 

"Het simpele idee was om de robotmond met een echte mond te gaan vergelijken. Vervolgens om de bewegingen daarvan precies hetzelfde te krijgen. Daarvoor heb ik 52 foto's van echte mensenmonden in verschillende vormen voorzien van rode stippen of referentiepunten. Ook op de lippen van de robotmond kwamen dezelfde referentiepunten voor elke mondpositie te staan. Door een algoritme te schrijven zorgde ik ervoor dat alle referentiepunten met elkaar correspondeerden. Zaten er toch verschillen tussen twee punten, dan werd met behulp van touwen de robotmond in de juiste positie getrokken. De testrobot heb ik verder zo gemaakt dat de kalibratie geheel automatisch werd uitgevoerd door de motoren in de robot. Met behulp daarvan konden de bewegingen worden aangestuurd door aan een touw te trekken. Zo kalibreerde ik met de computer de hele robotmond in alle vormen. Het kostte me daarbij in totaal een uur tijd om de kalibratie van alle verschillende mondbewegingen uit te voeren. Een minuut per foto dus, wat razendsnel is in vergelijking met een normale handmatige kalibratie." 

In totaal kon je zo dus 52 mondvormen exact nabootsen op het gezicht van je testrobot?

"Klopt. Dat is overigens ook gelijk aan het aantal posities van de mond waarmee je de hele Nederlandse taal zou kunnen weergeven. Het zijn zeg maar alle benodigde kleine bouwstenen voor onze taal, maar dan niet voor wat je hoort, maar voor wat je ziet."

Je onderzoek richtte zich verder alleen op het aansturen van spraak, niet van expressies of emoties?

"Dat klopt. Van emoties heb je maar zes varianten. Dat is het, meer heb je er niet. Dat is dus heel wat minder dan 52 verschillende mondvormen die je kunt maken. Om die reden heb ik ervoor gekozen om me volledig bezig te houden met de mondbewegingen van robots en het nabootsen van de vormen van een mensenmond."

Is je onderzoek naar bewegende robotmonden nu ook helemaal afgerond? 

"Spijtig genoeg wel. Met de publicatie van mijn thesis ben ik nu afgestudeerd in de mechatronica. Intussen ben ik alweer bezig met compleet ander onderzoek, dit keer op het gebied van rotordynamica. Ik tracht een nieuwe alternatieve methode te bedenken om op hoge snelheid draaiende machines - tot 60.000 rpm en meer - nog sneller te laten draaien zonder dat deze enige problemen tegenkomen."

Wat gaat er nu gebeuren met je algoritme. Komt dit ook beschikbaar voor ontwerpers en bouwers van robots?

"Op dit moment weet nog vrijwel niemand dat het algoritme bestaat. Er is al wel wat media-aandacht voor geweest, maar nog niet gigantisch veel. Eerlijk gezegd zou ik het algoritme niet zomaar prijs willen geven. Ik aas ook niet op geld. Maar als het toch in de handel terechtkomt, dan zou een vernoeming uiteraard wel leuk zijn. Zodat mensen weten wie het algoritme heeft geschreven en dat het geen simpele 'copy-paste' betreft. Ik heb trouwens nog wel een paar joboffers gekregen van bedrijven die robots bouwen. Maar dat waren geen humanoïde robots."

Denk je dat je onderzoek de sociale robot van de toekomst wel iets minder eng zal maken?

"Bouwers en ontwerpers zijn daar nu al mee bezig. Maar met mijn algoritme zal ik dat werk wel kunnen gaan vergemakkelijken, haha."

Je hebt ook geluidsgolven gebruikt voor je onderzoek. Klopt dat, zo ja, waar dienden deze voor?

"Ja, voor elke mondpositie op de 52 foto's die ik had, kon mijn robotmond die ene juiste vorm geven. Maar dat was niet genoeg voor mij. Ik wilde mijn robot ook echt laten spreken. Om dat te kunnen, heb ik hiervoor geluidsgolven gebruikt van opgenomen zinnen. Ik heb daarna ook een apart 'text-to-robot'-spraakprogrammaatje geschreven om te kunnen tonen wat mijn robot allemaal kon. In een filmpje van de robot kun je die toegevoegde spraak ook in werking zien, Daarin kun je bijvoorbeeld zien hoe de robotmond een zinnetje uitspreekt als 'versier de bereiding eventueel met snippers tomaat'."

Auteur

Laurens Lammers is freelance journalist en schrijft veel over internettechnologie, internetcultuur en beginnende internetbedrijven.