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9 août 2005

"Repliee", ou l'inexorable marche vers le robot androïde ?

par Christophe Jacquemin

Quatre drôles d'hôtesses officient actuellement aux points d'accueil généraux de l'exposition internationale d'Aichi, qui se tient au Japon jusqu'au 25 septembre 2005(1). Il faut généralement quelques secondes pour que le public se rende compte qu'il ne s'agit pas d'êtres humains, mais de... robots androïdes.

Les quatre Actroïd, en exhibition à l'exposition d'Aichi.
Chacune est dotée d'un visage différent.
Les 3 premières officient en position assise dans leur cabine "Robot Information".
La quatrième (photo à droite), situé à la "Station des Robots", présente en position debout les autres robots.

Issus des travaux de l'équipe du professeur Hiroshi Ishiguro de l'Intelligent Robotic Laboratory - université d'Osaka)(2) et fabriquées en collaboration avec les sociétés Kokoro(3) et Advanced Media(4), les Actroïd (contraction des mots Acteurs et Droïd) sont des robots réceptionnistes dont le rôle est de répondre aux questions des visiteurs et de les aider à organiser leur visite, ceci en quatre langues : japonais, coréen, anglais et chinois.
Chaque Actroïd est installé dans une cabine "Robot Information" intégrant micro, caméras et capteurs pour détecter les présences humaines.
Equipé du moteur de reconnaissance vocale AmiVoice®(5) d'Advanced Media, l'un des plus avancés au monde, l'androïde est capable de reconnaître n'importe quelle voix humaine (et donc les intonations différentes) et ceci même dans un endroit bruyant. De son côté, et bien qu'elle soit émise par un synthétiseur, la voix de la machine est incroyablement fluide et naturelle(6), rythmant parfaitement celle des humains (voix synthétisée à partir de celle d'une actrice).
Lorsque vous parlez à l'Actroïd, il va chercher ce qui est dit dans sa base de données(7) et propose une réponse en conséquence, qui n'est souvent pas dénuée d'humour. Demandez-lui (en anglais) si "elle" est un robot, "elle" vous répondra "Y.e.s, I. a.m. a. r.o.b.o.t" avec une voix qui semble sortir d'une machine dont les piles sont usées, accompagnant son discours de mouvements maladroits, pour vous cueillir quelques instants plus tard avec un "je plaisante bien sûr", exprimé d'une voix et expression tout à fait normales. Posez-lui une question à laquelle "elle" ne sait pas répondre et elle s'en tirera d'une pirouette, du genre : "pour cela, adressez-vous à un personnel plus compétent". Félicitez-la, son visage s'illuminera ; moquez-vous d'elle, elle se renfrognera.

L'Actroïd possède plus de 40 000 phrases pour s'exprimer, mais ce qui fait finalement tout son aspect humain vient aussi de la texture de sa peau (du silicone), de ses cheveux, de ses mains, des expressions de son visage qui varient en fonction de la discussion(8), du clignement de ses paupières, des mouvements de ses lèvres, de ses yeux, de son corps... et même de son buste qui se soulève régulièrement comme si l'androïde respirait, produisant même des micro-mouvements de ses épaules. Bref, tout ici est fait ici pour avoir l'apparence la plus approchante de celle d'un humain.

Pour assurer une bonne palette de mouvements, le robot dispose de 42 degrés de liberté, soit 3 pour les yeux, 1 pour les sourcils, 1 pour les paupières, 1 pour les joues, 7 pour la bouche, 3 pour le cou, 4 pour le torse, 9 (x2) pour chaque bras, 2 (x2) pour les doigts. Pour l'instant seule la partie supérieure de son corps (au-dessus de l'aine) est active.
Les mouvements, qui peuvent être très amples, paraissent incroyablement humains, adaptés au contexte et aux situations variées de la conversation. Le secret ? Les actuateurs du robot sont activés par l'envoi d'air comprimé. Ceci a non seulement l'avantage d'assurer une fluidité et une précision inégalée des mouvements, mais aussi de les produire sans bruit(9), si ce n'est le froissement de vêtement, comme chez les humains...

Interaction hommes/androïdes : le Japon en pointe

Car outre l'aspect commercial lié à la vente future de ces Actroïd à des sociétés comme robots réceptionnistes, se joue aussi ici toutes les avancées de la recherche concernant la compréhension de la communication entre l'homme et les humanoïdes. Et là, le Japon officie bien seul dans la compétition internationale.
Bien sûr d'autres pays s'intéressent aux "robots sociaux" et étudient comment augmenter la communication entre l'homme et le robot, dans laquelle réside aussi l'aspect important des expressions émotionnelles, parties intégrantes de la communication implicite, non verbale. Expressions qui nécessitent un visage car c'est lui qui permet le mieux de montrer et de comprendre les émotions. On pourrait par exemple citer Cynthia Breazeal aux Etats-Unis, chercheuse au laboratoire d'IA du MIT, avec son robot Kismet(10) capable d'afficher de telles expressions émotionnelles. Ses travaux prouvent que ce type de robot peut impliquer des personnes dans une interaction sociale sans beaucoup ressembler à un être humain. Mais ce visage n'a finalement rien d'humain.

Préfériez-vous interagir avec cet androïde ou avec le visage métallique d'un robot ?

Or plus un robot présente un aspect humanoïde, plus on s'attend à ce que son comportement soit humain, et plus on est en disposition pour interagir avec lui. Et ceci ouvre un champ de recherche dans lequel le Japon semble régner sans partage, justement ici du fait qu'il est le seul pays à vouloir concevoir des robots complètement androïdes, avec l'appui d'une industrie en pointe dans le domaine et collaborant avec le meilleur de la recherche universitaire.

"Un jour, les robots pourront nous duper en nous faisant croire qu'ils sont humains", affirme sans hésitation le professeur Hiroshi Ishiguro, qui mène depuis plus de trois ans des recherches sur la communication avec les androïdes. Le savant est à la base des développements des prototypes d'Actroïd. Il y a d'abord eu le "Repliee R1", prototype d'androïde enfant, ensuite le Repliee Q1, androïde adulte, et aujourd'hui sa version améliorée - le modèle "Q2" - qui présente 16 degrés de libertés rien que pour sa tête [3 pour les yeux 1 pour les sourcils, 1 pour les paupières, 1 pour les joues, 7 pour la bouche et 3 pour le cou].
"L'apparence humaine donne au robot une grande sensation de présence"... C'est sans nul doute ce qu'à pu découvrir le public lors de la présentation du Q2 (mais sous l'appellation "Repliee Q1 expo ?) par le chercheur le 6 juin dernier a Aichi. L'Actroid jouait ici le rôle d'une journaliste interviewant un humain.

Sensible au toucher, l'androïde réagissait aux mouvements (lever par exemple le bras pour se protéger si vous faites un geste menaçant...), reconnaissant les gestes des personnes grâce à des caméras multidirectionnelles et des senseurs tactiles, ces derniers étant installés sous un tapis. Des capteurs à haute sensibilité répartis sur le front, les joues, les épaules, la partie supérieure des bras, les avant-bras et les paumes des mains produisent une valeur différente selon la vitesse d'enfoncement de la peau, permettant une variété de réponses de l'androïde selon la manière dont il est touché. De son côté, la peau en silicone donne vraiment à l'humain l'impression de toucher un de ses congénères.
"L'androïde peut nous faire croire qu'elle est humaine pendant quelques dizaines de secondes", note Hiroshi Ishiguro, "mais si nous sélectionnons soigneusement les choses en fonction de la situation, il me semble possible d'arriver à prolonger ce genre d'effet sur plusieurs minutes". Les démonstrations montrent que les gens oublient que Repliee est un androïde. De façon consciente, on voit qu'il s'agit d'un robot, mais inconsciemment, nous réagissons comme s'il s'agissait vraiment d'une femme", constate le chercheur.
On l'aura compris : le but de ce savant est de développer des robots capables d'interagir naturellement avec l'homme. Et selon lui, seul le développement de robots d'aspect androïde peut nous permettre de comprendre l'essence de ce qui fait l'interaction entre humains, étude qui ne semble pas envisageable à partir de robots à d'aspect métallique, aussi sophistiqués soient-ils. En d'autres termes, sa recherche vise à découvrir les principes sous-jacents à la communication naturelle entre individus afin d'établir une méthodologie conduisant au développement de réels androïdes. Comment reconnaissons-nous qu'un humain est un humain ? De telles études intégrant le développement de véritables androïdes avec la recherche sur le comportement humain, constituent un nouveau secteur de recherche dont tous les pays - à part le Japon - sont presque absents(11). Ceci s'explique certainement par la nécessité d'un mariage profond entre la science et technologie, technologie de pointe dans laquelle le Japon excelle. Si les sciences cognitives et les sciences sociales ont énormément apportées au développement de robots communicants, c'est maintenant la robotique qui va énormément apporter à ces dernières.

Qu'est-ce qui est le plus important chez un robot pour influencer l'interaction entre l'humain et ce robot ? Son comportement (ses mouvements) ou son apparence ? Bien sûr, les deux aspects jouent, mais comment quantifier la part de chacun ? Est-elle vraiment intimement liée ? Comment étudier chacun de ces aspects ? C'est ici l'androïde qui peut le permettre et conduire à des tests adéquats pour évaluer les modèles d'interactions.

Existe-t-il une différence de comportement entre un enfant ou un adulte face à un robot ? L'idée d'humanité que l'on se fait d'un androïde provient-elle de son regard ? Comment générer chez un robot des mouvements paraissant vraiment naturels ?... Voici le type de questions auxquelles s'attellent le chercheur et son équipe en cherchant à repousser toujours plus loin l'effet de la "Vallée mystérieuse" (uncanny valley) mis à jour par Masahiro Mori dans un article publié dès 1970(12). Celui-ci a montré que plus un robot ou une poupée nous ressemblait, plus notre réponse émotionnelle à son encontre était positive. Mais arrivé à un certain point, quand le robot pouvait presque être considéré comme humain, une brusque chute de ce sentiment positif se produisait, lorsqu'une petite différence révélait soudain qu'il n'en était pas un, produisant alors un choc psychologique. Ainsi donner une apparence humaine risque d'aboutir à l'effet opposé de celui poursuivi dans la mesure où le robot ne répond plus aux attentes, ce qui peut décevoir ou troubler, et rendre plus difficile la pleine utilisation de ses capacités spécifiques.

Une chose est sûre : un très long chemin reste à parcourir pour éviter cet effet de la "Vallée mystérieuse", ne serait-ce que par l'"intelligence" que le robot pourrait témoigner à notre égard. Mais chaque chose en son temps. Les recherches ici ne font que... continuer.

Les modèles "Repliee" de l'équipe du professeur Hiroshi Ishiguro (Intelligent Robotic Laboratory - Université d'Osaka) Diplômé de l'université Yamanashi en 1986 et 1988 (où il sera assistant chercheur en 1991) puis diplômé de l'université d'Osaka (1991) - où il devient assistant chercheur en 1992 au Département d'ingénierie des systèmes, Hiroshi Ishiguro y developpe jusqu'à 1994 des systèmes de visions pour les robots mobiles, menant plus particulièrement ses recherche sur la vision active et multidirectionnelle. Il passe ensuite professeur associé au Département des sciences de l'information (université d'Osaka) et commence des recherches sur la vision distribuée, utilisant pour cela des caméras omnidirectionnelles. Après un séjour de 1998 à 1999 à l'université de Californie aux USA (Department of Electrical and Computer Engineering), il devient chercheur invité à l'ATR Media Integration and Communications Research Laboratories (Kyoto) où il développe le robot humanoïde interactif "Robotvie". Après un passage à l'université de Wakayama, il rejoint PREST, l'agence japonaise des sciences et des technologies Japan Science and Technology Agency puis fonde la société Vstone Co. Ltd.(http://www.vstone.co.jp/e/etop.html), qui produit notamment des senseurs omnidirectionnels utilisés pour la détection des mouvements, pour les déplacements intelligents des robots... [société dont le robot humanoïde autonome Vision à une fois de plus gagné la RoboCup cette année]. Hiroshi Ishiguro dirige aujourd'hui l'Intelligent Robotic Laboratory à l'université d'Osaka, laboratoire dont les recherches s'orientent dans 4 domaines principaux: robots sociaux ; perception de l'environnement par les robots ; vision active et omnivision ; science des androïdes. C'est au sein de ce dernier thème qu'il met au point avec son équipe des prototypes d'androïdes (les "Repliee") toujours plus sophistiqués, avec cette question en tête: si le test de Turing est une évaluation de l'intelligence d'un ordinateur, quelle évaluation peut-être utilisée dans le cas d'un robot ? C'est ce qu'on appel le "total Turing test" : si une personne ne peut reconnaître un robot d'un humain lorsqu'elle le voit et communique avec lui, alors ce robot peut être considéré comme "l'ultime robot intelligent". Et c'est l'objectif que vise le savant. Les différents prototypes Repliee R1 Le premier prototype développé a été celui d'un androïde à l'apparence d'une enfant japonaise de cinq ans. Ce modèle baptisé "R1" (R pour Repliee) présente 9 degré de liberté : 5 pour les yeux, 1 pour la bouche et 3 pour le cou. Il peut réagir au toucher de son bras gauche, grâce à 4 senseurs disposés sous sa peau de silicone et qui en permette l'analyse de sa déformation. Doté de la parole, l'androïde à tout d'abord servi à l'étude des mouvements des yeux et de la direction du regard de l'humain (comportement semi-inconscient) lorsqu'il conversait avec le robot. L'idée était de montrer que le comportement du regard de l'humain variait avec l'apparence du robot et celle de la complexité de son comportement durant l'échange. Les comparaisons ont été effectuées durant 3 interactions différentes : humain conversant avec une réelle petite fille de 5 ans, humain conversant avec l'androïde rendu statique, humain conversant avec l'androïde doté des mouvement de ses yeux, de ses lèvres et de son cou. L'expérience a été réalisée avec 18 étudiants japonais (10 garçons et 8 filles)   Interaction avec le robot (à gauche) - Interaction avec une véritable petite fille   Visage de Repliee R1   Le même sans la peau Repliee Q1 Cet androïde dont le visage a été réalisé à partir de la superposition de plusieurs visages de femmes japonaises (pour l'obtention d'un visage "moyen") est doté de 31 degrés de libertés dans la partie supérieure du corps (5 pour les yeux, 1 pour la bouche, 3 pour le cou, 9x2 pour les bras, 4 pour le torse) et de 8 senseurs tactiles haute précision. Outre des mouvements fluides (le robot peut-être autonome ou contrôlé par capture de mouvement), il montre une riche une variété de micro mouvements (faisant croire par exemple que l'androïde respire...). D'une grande sophistication, il permet d'approfondir les études déjà lancées avec le R1, et vise l'obtention de méthodes hiérarchiques pour la production automatique de mouvements toujours plus naturels, faisant penser qu'ils sont réellement humains. Repliee Q2 Dernier-né de la famille, cet androïde est aujourd'hui doté de 42 degrés de liberté, ce qui lui permet, en plus de Q1, de produire toute une palette d'expressions du visage, et des mouvements des doigts. Pour donner toujours plus la sensation de mouvements humains, l'idée est de décomposer les mouvements complexes selon une représentation compacte de sinusoïdales, ce qui revient à contrôler le mouvement de chaque joint par une onde sinusoïdale spécifique ou par la superposition de telles ondes, en jouant sur leur phase, fréquence et amplitude. L 'équipe se focalise également sur l'imitation de la production des mouvements humains, telle qu'elle se produit à la surface du corps. Ci dessous, quelques vues de Repliee Q2 en action (Ces photos proviennent d'un reportage diffusé en mars dernier sur Discovery Channel)       Le bras du robot Le robot, qui peut être autonome, est ici actionné par l'homme, par capture de mouvements

Notes :
(1) Voir notre actualité du 30/5/05. Placée sous le double sceau de l'innovation et de la nature, l'Exposition regroupe plus de 121 pays faisant la démonstration de leur savoir-faire... Cela dit, le Japon semble capter tous les regards avec ses robots qui, à notre avis, sont finalement les véritables vedettes de cette manifestation.
(2) http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/lab/introduction/home_eng.php ; voir aussi http://www.irc.atr.jp/~ishiguro et http://www.ams.eng.osaka-u.ac.jp/home_eng.htm.
(3) http://www.kokoro-dreams.co.jp/indexe.htm
(4) http://www.advanced-media.co.jp/english/main.html
(5) http://www.advanced-media.co.jp/english/amivoice/index.html
(6) Voir par exemple http://www.kokoro-dreams.co.jp/WMV/actroid-mc/actroid-mc.wmv
(7)La reconnaissance se fait ici globalement, par phrase, et non mot par mot.
(8) L'androïde adopte des expressions faciales différentes en fonction des 2000 types de réponse qu'il peut donner.
(9) Et aussi sans émission de chaleur.
(10) Voir notre article "Un chercheur nommé Rodney Brooks" et http://www.ai.mit.edu/projects/humanoid-robotics-group/kismet/kismet.html
(11) Citons cependant la présence du Japonais Hiroshi Kobayashi comme post-doctorant au laboratoire d'intelligence artificielle (département d'informatique) de l'université de Zürich, d'avril 1996 à mars 1998 (http://www.ifi.unizh.ch/groups/ailab/people/hiroshi.html). Kobahyashi est un précurseur de la réalisation de visages androïdes expressifs. Le chercheur travaille maintenant au Japon, dans son propre laboratoire, le Kobayaschi Lab à l'université des sciences de Tokyo http://kobalab.com/research/research.htm.
Même chose pour le Japonais Fumio Hara (Fumio Hara Laboratory http://hafu0103.me.kagu.sut.ac.jp/haralab/) qui travaille aujourd'hui également à l'université des sciences de Tokyo
Mentionnons aussi toutefois la réalisation américaine d'un androïde à l'image du célèbre écrivain de S.F. Philip K. Dick, projet mené par David Hanson et qui réunit le Hanson Robotics, le FedEx Institute of Technology, l'Université du Texas Arlingon - Département Recherche/Robotique/Automation, et l'Université de Memphis, et qui combine robotique, intelligence artificielle et sculpture traditionnelle (http://www.pkdandroid.org/ et http://pkdandroid.blogspot.com/). Mais le résultat semble pour l'instant en deçà de ce savent produire les Japonais (le robot a été présenté fin juin dernier à Chicago). Voir notamment ce film vidéo réalisé par Hanson Robotics http://www.hansonrobotics.com/movies/sci_ch_NeXtFesT.asf).
(12) "Bukini no tani [the uncanny valley], article paru en japonais dans Energy, vol 7, n°4, pages 33-35.

Pour en savoir plus
Intelligent Robotic Laboratory - Département des machines adaptatives (université Osaka):
http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/lab/introduction/index.php

Articles
- Does gaze reveal the human likeness of an Android ?, par Iroshi Ishiguro & al, in Proc. of the 4th IEEE International Conference on Development and Learning, pp.106-111, Jul. 2005 http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/~minato/papers/Minato05a.pdf
- Generating Natural Motion in an Android by mapping human motion, par Iroshi Ishiguro & al, communication in Proc. of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.1089-1096, Aug. 2005
http://www.androidscience.com/Publications/Matsui2005NaturalMotionIROS.pdf
- Development of an android robot for studying human-robot interaction, par Iroshi Ishiguro & al, in Applied Artificial Intelligence ; Proc. of the Seventeenth International Conference on Industrial and Engineering Applications of Artificial Intelligence and Expert Systems (IEA/AIE), pp.424-434, May 2004 :
http://www.androidscience.com/Publications/Matsui2005NaturalMotionIROS.pdf

Films
- Repliee Q1 http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/lab/research/Android/DevAndroid/img/ReplieeQ1.mpg et http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/lab/development/Humanoid/ReplieeQ2/img/ReplieeQ1expo_Demo1.mpg (robot intervieweur)
- Repliee R1: http://ed-02.ams.eng.osaka-u.ac.jp/lab/research/Android/DevAndroid/img/ReplieeR1.mpg

Kokoro Company, qui fabrique le robot de réception ACTROID
http://www.kokoro-dreams.co.jp/ng/actroid/act_top1.html (lire notamment http://www.kokoro-dreams.co.jp/ng/actroid/pdf/press_english.pdf), avec Advanced Media Inc (qui implémente le système vocal du robot ) : http://www.advanced-media.co.jp/english/main.html
Différents Actroids (films) : http://www.kokoro-dreams.co.jp/WMV/
actroid-der/actroid_der.wmv et http://www.kokoro-dreams.co.jp/WMV/actroid-mc/
actroid-mc.wmv et http://www.kokoro-dreams.co.jp/WMV/actroid-info/
actroid-info.wmv et http://www.corriere.it/Media/Video/2003/12_Dicembre/05/vDSL_
actroid051203.ram

Android World, site dédié aux androïdes : http://www.androidworld.com/

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