隨著生成式人工智能取得突破性發(fā)展，機(jī)器人能夠完成的工作已經(jīng)突破了科幻小說的想象。承擔(dān)陪伴、護(hù)理、家務(wù)等復(fù)雜工作的人形機(jī)器人，距離走進(jìn)千家萬戶更近了一步。
但是，你想過機(jī)器人的臉長(zhǎng)什么樣嗎?
柔性面具制造現(xiàn)場(chǎng)。浙江大學(xué)供圖
近日，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授鄒俊課題組研制出一款可穿戴的變臉面具，實(shí)現(xiàn)了一張面具在多個(gè)相貌之間的無痕切換，為人類和機(jī)器人的面部變裝與面部表達(dá)提供了全新思路。
一、“從0到1”
老齡人口不斷增加、護(hù)理人員供不應(yīng)求的問題在社會(huì)生活中日益加劇，家用人形機(jī)器人是產(chǎn)業(yè)發(fā)展大勢(shì)。
鄒俊課題組聚焦于流體動(dòng)力柔性驅(qū)動(dòng)的前沿探索研究。隨著對(duì)人形機(jī)器人研究的不斷深入，課題組開始思考如何突破應(yīng)用的困局，將前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。
機(jī)器人的“剛”與柔性元件的“軟”形成的剛?cè)岵?jì)會(huì)碰撞出什么樣的火花?
“人與人溝通時(shí)，面部表情是表達(dá)真情實(shí)感的重要途徑，在傳遞人物內(nèi)心思想方面起著舉足輕重的作用。”鄒俊說，生動(dòng)的面部表情在人形機(jī)器人研究領(lǐng)域是個(gè)有趣的方向，這吸引他們開啟了“人格化”機(jī)器人探索的新篇章。
經(jīng)過多年研究，2022年課題組研發(fā)出人形機(jī)器人表情系統(tǒng)“ZJ-Face”。該技術(shù)能讓機(jī)器人通過眨眼、皺眉、微笑、張嘴的豐富動(dòng)作，表達(dá)驚訝、難過、喜悅等多種人類情緒。
課題組早在2019年就開始思考，這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在人身上嗎?古有孫悟空“七十二變”，今朝人類是否也能夠擁有科技“動(dòng)態(tài)變臉”?
“研究最初的難點(diǎn)在于做出像人臉的面具。”鄒俊笑著說，最初的幾代面具，面部系統(tǒng)都無法識(shí)別出它是“人”。擁有機(jī)械工程背景的研究人員沒有想到，制作兼具實(shí)感和美感的面具成了第一個(gè)“攔路虎”。
“從0到1確實(shí)很難的，不懂就去學(xué)。”在沒有前人經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，研究人員迎難而上，一旦涉及學(xué)科之外的技能與知識(shí)，便主動(dòng)學(xué)習(xí)補(bǔ)充，既拓寬了研究道路，也提高了個(gè)人的綜合能力。
大家都耐著性子，從2019年開始，5年間把能夠想到的方法挨個(gè)兒嘗試。終于在迭代到第7版時(shí)，一張可穿戴的變臉面具初具雛形。
二、變色又變形
小小的面具如何在短時(shí)間內(nèi)變色又變形?
課題組研究員唐威介紹，當(dāng)前版本的面具由變色層和變形層組成，所有的控制裝置都集成在一個(gè)僅有腰包大小的驅(qū)動(dòng)裝置中。“我們先嘗試將多種不同變色顆粒嵌入面具的表層。”通過調(diào)節(jié)面具表層溫度，實(shí)現(xiàn)了面具從黑色到黃色以至多種膚色的過渡變化。
人面部由40余塊柔軟靈活的肌肉組成，賦予了人生動(dòng)又獨(dú)特的面部表情。用于模擬面部的肌肉，在變色層下方，研究人員巧妙嵌入了多個(gè)不同大小的腔體，可以柔軟地貼合在面部。通過改變腔體中氣體體積的大小，可以調(diào)節(jié)面部的輪廓形狀。
別出心裁的是，課題組自主研發(fā)了一套由可編程化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的便攜裝置。“溫度升高或降低使化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生或者吸收氣體，可使面具的‘面部肌肉’自由變換形態(tài)。”唐威介紹，可編程化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)使整個(gè)變臉過程不僅更加靜音、安全，還可編程，僅調(diào)節(jié)溫度就能精準(zhǔn)切換到想要的面部形態(tài)。
為了使面具更加便攜、具有可穿戴性，課題組在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了體積、重量、溫度、厚度等影響因素。“面具內(nèi)部溫度控制在室溫附近，厚度已經(jīng)優(yōu)化到1厘米左右，能夠?qū)崿F(xiàn)貼近真實(shí)的臉部模擬。”唐威說，今后課題組將繼續(xù)追求技術(shù)突破，不斷優(yōu)化技術(shù)，讓面具更輕、更薄，表情更生動(dòng)。
三、夢(mèng)想逐步成現(xiàn)實(shí)
研發(fā)之路艱辛漫長(zhǎng)，卻阻擋不了研究人員奔赴他們的“星辰大海”。
課題組利用開源網(wǎng)站信息，在實(shí)際操作前進(jìn)行線上數(shù)字面部模擬，確保制作出的面具正確且美觀。在嘗試制作了近十種面具樣機(jī)后，目前已有一張面具可以切換至少8種不同臉形。
目前，課題組正嘗試?yán)矛F(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，并結(jié)合人工智能、大模型技術(shù)，為人形機(jī)器人定制外貌、音色、皮膚、年齡等個(gè)性化特征，以期實(shí)現(xiàn)未來變臉面具“七十二變”。
夢(mèng)想正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，人形機(jī)器人進(jìn)入人類日常生活已不再遙遠(yuǎn)了。未來甚至可以做到不同年齡階段的面部切換，給老年人群體帶來家人般的陪伴與呵護(hù)，提高生活質(zhì)量，增強(qiáng)人文關(guān)懷。
“我們的技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)博物館這個(gè)大課堂了。”鄒俊介紹，最新的“新白娘子”機(jī)器人，即將走進(jìn)杭州中國(guó)傘博物館。從此，博物館的機(jī)器人“講解員”具備豐富表情與互動(dòng)能力，為參觀者提供沉浸式、交互式的生動(dòng)體驗(yàn)，開啟人形機(jī)器人“文化之旅”。
面向人形機(jī)器人廣闊的藍(lán)海，課題組研究人員表示，將持續(xù)探索更加多變的原材料，讓面具更輕薄、反應(yīng)更迅速，積極促進(jìn)科技與生活深度融合，用科技服務(wù)民生，讓智能人形機(jī)器人走進(jìn)千家萬戶。
