確認過眼神，我是最懂你的機器人
情感機器人已經成為當今機器人領域的一個重要發展方向，它具有識別人類情感和表達情感的能力，這使得機器人與人之間的交流不再是生硬的機械化方式，而是像人與人之間的自然和諧的交流。隨著情感計算和人工智慧技術的發展，情感機器人正逐步走進人們的日常生活，並在一些領域得到了成功的應用。
情感機器人的發展
國外對情感機器人的研究開展較早。1999 年，日本索尼公司研發了第一代AIBO 機器狗並成功走向市場，這也是最早進入人們生活的情感機器人。後來以MIT 媒體實驗室為代表的一些高校組織和企業也陸續開展了情感機器人的相關研究，並取得顯著的成果。我國情感機器人研究的開展與歐美相比相對較晚，但在近幾年取得飛速發展，目前已上市多種情感機器人產品。
01
日本情感機器人研究現狀
日本是最早開展情感機器人研究的國家之一，機器人產業已成為其支柱產業之一。早稻田大學、東京理科大學等均很早就開始情感機器人技術的研究，並取得不錯的成果，如Kobian 機器人、SAYA 機器人等。而隨著日本情感機器人技術的發展，近幾年情感機器人的市場也在日本逐步走向成熟，並涉及家庭服務、醫療護理等多個應用領域，表1列出了日本研發的一些典型的情感機器人。
表1 日本情感機器人概況
Pepper（圖1）作為最新的一款情感機器人在日本已經得到普遍推廣，由日本軟銀集團於2015 年研發，主要應用於家庭服務方面。Pepper 機器人配備了語音識別技術、呈現優美姿態的關節技術以及分析表情和聲調的情緒識別技術，可與人類進行交流。索尼公司的AIBO 機器狗和QRIO 型以及SDR-4X 型情感機器人的市場化已經趨於成熟。這些機器人可以通過與人交流來「學習」某些動作，表露某種情感，如高興、生氣等。
圖1 Pepper機器人
02
美國情感機器人研究現狀
美國對情感機器人的研究也開展較早，但目前仍然局限於高校的基礎研究階段。MIT 媒體實驗室於2000 年研製出美國的第一款情感機器人Kismet，隨後的十多年，又陸續推出了Leonardo、Huggable、Albert HUBO、Nexi 和JIBO 情感機器人，如表2所示。
表2 美國情感機器人概況
這些情感機器人都能夠進行語音和面部的識別，且具有簡單的面部情感表達和學習功能。2008 年4 月，MIT 的科學家展示了他們開發的情感機器人Nexi，該機器人不僅能夠理解人的語言，還可對不同語言做出相應的喜怒哀樂反應，通過轉動和睜閉眼睛、皺眉、張嘴、打手勢等形式表達其豐富的情感，如圖2(a) 所示。JIBO 作為MIT 媒體實驗室最新研發的情感機器人主要應用於家庭服務方面並在美國成功上市，如圖2(b) 所示。JIBO 機器人具有較好的語音交互和情感表達功能，是人們生活中的好助理。
圖2 美國的情感機器人
03
歐洲情感機器人研究現狀
歐洲的情感機器人發展相對於日本和美國而言起步較晚。應用較為廣泛的是2005 年法國Aldebaran 機器人公司研發的NAO 機器人。該機器人可以實現語音、面部、動作的識別，且有簡單的情緒表達和學習能力。隨後，西班牙、德國、比利時和義大利等國的高校逐步都開展了情感機器人的研究，但目前這些機器人還處於基礎研究階段。
表3 歐洲情感機器人概況
表3 列出了歐洲情感機器人概況，目前上市的主要有荷蘭飛利浦公司研發的iCat 情感機器人和Blue Frog Robotics公司研發的Buddy 情感機器人，這兩款機器人都能實現語音和面部的識別，具有情感表達能力，主要應用於家庭服務方面。NAO 機器人和Buddy 機器人如圖3所示。
圖3 歐洲的情感機器人
04
我國情感機器人研究現狀
我國在情感機器人方面的研究起步較晚，隨著科技的高速發展，對於情感機器人的研究受到極大關注，並已取得顯著成果。在高校研究方面，哈爾濱工業大學於2004 年首次研製出具有8 種面部表情的仿人頭部機器人「H&F ROBOT-1」，該機器人能夠實現人體頭部器官運動的基本面部表情（自然表情、嚴肅、高興、微笑、悲傷、吃驚、恐懼、生氣）的模仿。隨後在2005 年和2007 年相繼研發出「百智星」機器人和「H&F ROBOT-3」機器人，這兩種機器人主要用於人機交互的研究和兒童教育方面。
2013 年後，我國的情感機器人已經形成較好的商業化，如哈工大機器人集團的「威爾」機器人、康力優藍機器人公司的「愛樂優」機器人和深圳狗尾草智能科技有限公司的「公子小白」機器人等。這些機器人涉及廣泛的應用領域，包括迎賓、兒童教育和社交等。近幾年先後上市了多種兒童陪護機器人，其外形較小，具有簡單的情感交互能力，如ibotn 機器人、360 兒童機器人、巴巴騰機器人等。表4列出了我國情感機器人的代表。
表4 我國情感機器人概況
隨著人工智慧時代的到來，機器人在人類生活中扮演的角色越來越重要，情感機器人作為機器人家庭的一員也勢必繼續成為人們關注的焦點。隨著社會的進步和人們生活方式的轉變，情感機器人將會逐漸滲透到人們生活的各個方面，使人們的生活更加美好。
做個有溫度的機器人
隨著情感機器人的市場日益成熟，情感機器人已經應用到了不同的領域，涉及人們生活的方方面面。目前，情感機器人主要應用在家庭服務、公共服務、醫療服務、社交和教育等領域，這對將來改善人類的生活具有重要意義。
01
家庭服務
家庭服務包括老人/兒童陪護、防盜監控、家庭清潔和家庭娛樂等各種家庭方面的工作。目前，情感機器人的研究主要針對老人陪護和兒童陪護等方面。
進入21 世紀，世界人口老齡化問題日益突出，這使得家庭服務型機器人的需求逐漸增長。據統計，我國自2005 年以來65 周歲以上人口數量不斷增加，國家統計局2016 年發布的數據：60 周歲及以上人口佔總人口的16.7%；65 周歲及以上人口佔總人口的10.8%；而14 周歲以下人口近幾年不斷減少。這意味著人口老齡化的高峰即將到來，創造價值的勞動力減少，因此養老問題的嚴重性和必要性浮出水面。
此外，人口老齡化問題也困擾著許多國家。據估計，2005~2030 年，歐洲聯盟（簡稱歐盟）65 周歲以上的老齡人口將增加52.3%，美國65 周歲及以上老年人目前佔全國總人口的12.5% 左右，預計2050 年將達到20.7%。另外，日本、澳大利亞、韓國等國也面臨著嚴峻的人口老齡化問題。因此，養老任務在接下來的幾十年中將變得越來越重。更值得關注的是，在這些老年人中又有一定比例的留守老人，他們沒有子女的陪伴，在生活上比較孤獨。隨著情感機器人的發展，具有情感交互功能的服務機器人可以從物質和精神上照顧老人，有助於應對未來人口老齡化和勞動力緊缺的不利局面。
日本產業技術綜合研究所研發的海豹機器人Paro 在對治療老年痴呆症方面有著顯著效果。Paro 機器人的外形就像是毛絨海豹玩具（圖4），它能夠對光線、聲音、觸覺、溫度和姿勢進行感應，可以與老人進行交流，智能地識別主人內心的想法，並隨之改變自己的行為。如今，Paro 機器人已經作為醫療器械通過了美國食品藥品監督管理局的認證，在包括美國、日本在內的部分國家得到了推廣。
圖4 海豹機器人Paro
除了人口老齡化問題之外，我國面臨的另外一個嚴峻問題是留守兒童問題。據統計，全國農村留守兒童數量為902 萬，他們在成長過程中由於缺少父母的關懷，容易出現情緒不穩定的狀況。針對這個問題，目前市場上出現了一些兒童陪護情感機器人，如360 兒童機器人等。360 兒童機器人能夠與兒童進行情感交互，識別兒童的面部表情。該機器人對兒童進行情感上的呵護，與他們進行交流，回答兒童各種各樣的小問題等，使他們的身心更加健康，這在一定程度上可以緩解留守兒童孤獨的問題。
02
公共服務
情感機器人也常應用於公共服務領域。例如，在展覽會會場、辦公大樓、旅遊景點為客人提供信息諮詢服務的迎賓機器人，在政府機關、博物館、旅館等各種公共場所服務的接待機器人，在旅遊景點、展覽館進行導遊導覽的導遊機器人，在商城、房地產銷售大廳的導購機器人等。
由哈工大機器人集團研發的迎賓機器人「威爾」能識別人的語音和表情，並能夠實現語音交互。「威爾」機器人廣泛應用於公共服務行業中，如酒店、銀行和展覽館等。
此外，中國科學院的「童童」和日本豐田的ASIMO 機器人都是專門為公共服務研發的情感機器人。由日本軟銀集團研發的Pepper 機器人同樣用於公共服務方面，如圖5所示。Pepper 機器人可以識別顧客的情感，並通過語音、表情等與顧客進行交流。
圖5 Pepper 機器人用於公共服務
03
醫療服務
情感機器人除了可以應用在家庭服務和公共服務之外，在醫療上也得以應用，如對社會交往有障礙的人進行情感上的治療、對有心理障礙的人予以情感上的呵護、緩解患者的不良情緒等。
自閉症兒童的治療
情感機器人在醫療上的最大應用之一就是對兒童自閉症的治療。全球現有自閉症患者3500萬人，其中40% 是兒童，中國自閉症患兒有100 多萬人，且呈逐年上升趨勢。情感機器人能夠在與自閉症患兒交互和陪伴中使患兒產生親切、輕鬆、愉悅、依賴的不同心理情緒。目前，國外應用的實例證實情感機器人對於自閉症兒童的治療與恢復起到有效的作用，大大改善了他們的行為結果。目前，較有代表性的自閉症陪護機器人有NAO 和Milo。
（1）NAO 機器人是一款功能豐富的人形機器人，可以擬人講話、做出動作，還能識別人的面部和語音，為自閉症兒童克服社交障礙提供了幫助。
（2）Milo 機器人通過語音、動作與自閉症兒童產生互動，其造型擬人可愛，可提供給自閉症兒童一定的社會互動，培養正常的溝通能力。它的面部表情可以變化，能說話，同時也可做很多靈活的動作，幫助自閉症兒童康復並融入社會。
緩解患者心理壓力
情感機器人在醫療上的另外一個應用是對患者的不良情緒進行疏導，促進患者的康復。患者往往會比較焦慮和沒有安全感，嚴重的甚至會形成抑鬱症，因此保持一個良好的心情對康復有很大的好處。情感機器人能在陪伴過程中與患者進行交流、情感溝通，在一定程度上幫助患者調節消極情緒。同時，情感機器人的陪護可以緩解患者的孤獨感，使他們獲得一定的安全感。目前，在該領域應用比較廣泛的是Pepper 機器人，它不僅在公共服務方面使用廣泛，還經常用於醫療方面。例如，比利時等國的醫院已經開始引進該機器人進行輔助治療，並且得到了較好的反饋效果。
雖然情感計算與情感機器人的研究及應用取得了一定成果，但是由於它們涉及心理學、認知科學、行為科學、腦科學、計算機科學、控制科學等交叉學科領域，仍然面臨很多科學難題和挑戰，概括如下。
（1）自然環境下的人機情感交互。目前，絕大多數的情感識別、機器人情感表達方面的研究還停留在實驗室基礎研究階段，使用的人臉表情圖片、情感語音、生理信號等情感信息是在特定的實驗環境下採集和加工後得到的，與自然的人機交互過程還存在著很大的差距。如何實現自然環境下有效的多模態情感信息獲取，克服自然環境下雜訊的影響，是人機情感交互面臨的一個難題，其中包括自然環境下說話人語音信號的提取和去噪、不同角度和光線下的人臉表情識別、實時準確的情感識別方法等。
（2）非個性化情感特徵信息的提取和融合。目前，情感識別方法存在普適性差、識別結果依賴於訓練樣本中固定人物的情感信息等問題。如何在情感識別過程中克服不同人之間的差異，從語音、面部表情、手勢、生理信號等各種模態信號中提取穩定的情感特徵並將其有效地融合，是情感識別面臨的一大難題。
（3）情感機器人多模態情感表達的自動控制。情感機器人能夠感知語音、面部表情、手勢、生理信號等多模態情感信息，而如何運用先進控制理論和方法，實現豐富的語音情感合成、人臉微表情的肌肉控制、情感手勢的軌跡運動控制等，以及人與機器人之間的自然和諧交流，是未來情感交互系統的一個重要研究方向。
（4）類腦情感認知模型。目前，情感識別研究主要採用機器學習方法，需要通過大量的訓練樣本和高性能計算來提高情感識別的精度和效率。如何模擬人類的大腦情感認知機理，結合腦科學、認知科學和計算機科學，建立類腦情感認知模型，實現快速、準確的情感識別，是未來情感計算領域的一個重大挑戰。
（5）情感機器人標準。隨著情感計算和情感機器人技術的快速發展，情感機器人在家庭服務、醫療、助老助殘、教育、遊戲和輔助駕駛等方面有著更為廣泛的應用。為此，需要制定一套完整的情感機器人標準，包括技術標準和倫理道德標準等；建立一系列多模態情感識別、交流氛圍場、意圖理解、機器人情感表達等的通用模型，能夠滿足個性化和非個性化的用戶需求。
本文摘編自吳敏，劉振燾，陳略峰著《情感計算與情感機器人系統》第1章，內容略有刪減改動。
《情感計算與情感機器人系統》
作者：吳敏，劉振燾，陳略峰
責任編輯：朱英彪，趙曉廷
北京：科學出版社，2018.4
ISBN：978-7-03-056923-3
《情感計算與情感機器人系統》在介紹情感計算、情感建模以及人機情感交互概念的基礎上，分析了當前人機情感交互的研究前沿，總結了在多模態情感識別方法、人機交互氛圍場建模、情感意圖理解方法、情感機器人的多模態情感表達以及人機情感交互系統應用方面的最新研究成果，使讀者對人機情感交互有更深的理解，對促進我國在情感計算與情感機器人領域的快速發展具有積極的作用。
（本期編輯：小文）
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