En toppmodern social robot var nedsänkt i ett klassrum av småbarn i > 5 månader. Kvaliteten på interaktionen mellan barn och robotar förbättrades stadigt för 27 sessioner, försämrades snabbt för 15 sessioner när roboten omprogrammerades för att bete sig på ett förutsägbart sätt, och förbättrades under de senaste tre sessionerna när roboten åter visade sin fulla beteenderepertoar. Inledningsvis behandlade barnen roboten mycket annorlunda än hur de behandlade varandra. Vid de senaste sessionerna, fem månader senare, behandlade de roboten som en kamrat snarare än som en leksak. Resultaten visar att den nuvarande robottekniken är förvånansvärt nära att uppnå autonom bindning och socialisering med mänskliga småbarn under en längre tid och att den kan ha stor potential i utbildningsmiljöer som hjälper lärare och berikar klassrummets miljö. Utvecklingen av robotar som interagerar socialt med människor och hjälper dem i vardagen har varit ett svårfångat mål för modern vetenskap. De senaste åren har det gjorts imponerande framsteg när det gäller de mekaniska aspekterna av detta problem, men framstegen när det gäller social interaktion har varit långsammare (1-15). Forskning tyder på att information på låg nivå, såsom analfabetism, oförutsedda händelser och visuellt utseende, kan utlösa kraftfulla sociala beteenden mot robotar under de första minuterna av interaktion (16, 17). Det har emellertid visat sig svårt att utveckla robotar som binder samman och umgås med människor under en längre tid (6). De senaste åren har man sett framsteg på detta område, men det är vanligtvis beroende av robot berättande historier som förändras med tiden (7, 11). Eftersom sagoberättandet var avgörande för det fortsatta intresset för roboten är det ännu oklart i vilken utsträckning robotarna tillförde sagorna mervärde. I praktiken, kommersiellt tillgängliga robotar sällan korsar "10-h barriären" (dvs., med tanke på möjligheten, enskilda användare brukar spendera mindre än en kombinerad total på 10 timmar med dessa robotar innan förlora intresse). ¶ Denna iakttagelse står i skarp kontrast till exempelvis de långsiktiga interaktioner och band som vanligen utvecklas mellan människor och deras husdjur. Här presenterar vi en studie där en toppmodern humanoid robot, som heter QRIO, blev nedsänkt i ett klassrum mellan 18 och 24 månader gamla småbarn för 45 sessioner som sträcker sig över 5 månader (mars 2005 till juli 2005). Barn i denna ålder valdes därför att de inte har några förutfattade meningar om robotar, och de hjälpte oss att fokusera på primära former av social interaktion som är mindre beroende av tal. QRIO är en 23-tums humanoid robotprototyp byggd i Japan som ett resultat av en lång och kostsam forsknings- och utvecklingsarbete (18, 19). Roboten uppvisar ett imponerande utbud av mekaniska och beräkningsmässiga färdigheter, men dess förmåga att interagera med människor under längre perioder hade inte testats. I denna studie assisterades roboten av en mänsklig operatör, F.T. I genomsnitt skickade operatören roboten 1 byte information varje 141 s, som specificerar aspekter såsom en rekommenderad riktning för gång, huvudriktning, och sex olika beteendekategorier (dans, sitta ner, stå upp, lägga ner, hand gest, och fnittra). Råden från den mänskliga styrenheten skulle kunna åsidosättas av roboten om den störde sina egna prioriteringar, även om detta sällan skedde i praktiken. 9/15/09 06:49 Socialisering mellan småbarn och robotar vid ett centrum för småbarnspedagogik – PNAS Studien genomfördes i rum 1 vid Early Childhood Education Center (ECEC) vid University of California, San Diego (UCSD). Det ingick i RUBI-projektet, vars mål är att utveckla och utvärdera interaktiva datorarkitekturer för att hjälpa lärare i tidig utbildning (20, 21). Det var totalt 45 fältsessioner, som var i genomsnitt 50 min vardera. Sessionen avslutades när roboten kände låg batterieffekt, vid vilken punkt den lade ner och antog en sovande hållning. Studien hade tre faser: Under fas I, som varade 27 sessioner, interagerade roboten med barnen genom att använda sin fulla beteenderepertoar. Under fas II, som varade 15 sessioner, programmerades roboten att producera intressanta men mycket förutsägbara beteenden. Under fas III, som varade tre gånger, programmerades roboten om för att visa upp sin fullständiga repertoar. Alla fältsessioner spelades in med hjälp av två videokameror. Två år ägnades åt att studera filmerna och utveckla kvantitativa metoder för sina analyser. Här presenterar vi resultat från fyra sådana analyser. Utveckling av interaktionens kvalitet. Ett av våra mål var att fastställa om det är möjligt för sociala robotar att upprätthålla barnens intresse bortom 10-timmarsbarriären. För att uppnå detta mål var vi tvungna att utveckla och utvärdera en mängd olika kvantitativa metoder. Vi fann att kontinuerliga publikresponsmetoder, som ursprungligen användes för marknadsföringsforskning (22), var särskilt användbara. Femton sessioner var slumpmässigt utvalda från 45 fältsessioner och självständigt kodade frame-by-frame av fem UCSD-studenter som var oinformerade om syftet med studien. Kodare använde en uppringning i realtid när de tittade på de videobandade sessionerna. Positionen för denna ring indikerade observatörens intryck av kvaliteten på interaktionen sett i videon (Fig. 1 A)................................................................. Ordningen för presentation av de 15 videosessionerna randomiserades för varje kodare. De utvärderingssignaler som producerades av de fem mänskliga kodarna var låg-pass-filtrerade. Bilda. 1 C visar inter-observer tillförlitlighet, medelvärdet för alla möjliga par av kodare, som en funktion av bandbredden hos low-pass filtret. Den inter-observer tillförlitlighet visar en inverterad U-kurva: Eftersom högfrekvent bullerkomponenter filtreras bort, ökar inter-observer tillförlitlighet. Men eftersom bandbredden hos filtret minskar, filtrerar det ut mer än bara buller, vilket resulterar i en försämring av inter-observer korrelation. Optimal inter-observer tillförlitlighet på 0,80 (Spearman korrelation) erhölls med en bandbredd på 5 min. Detta fynd tyder på att en tidsskala på 5 min är särskilt viktig när man utvärderar kvaliteten på den sociala interaktionen. Bilda. 1 B visar kvaliteten på interaktionen för varje session, i genomsnitt över kodare. Under fas I, som sträckte sig över 27 sessioner under en period av 45 dagar, ökade kvaliteten på interaktionen mellan småbarn och robot stadigt. Under de första 10 sessionerna blev det uppenbart att även om robotens beteenderepertoar var imponerande, verkade den inte lyhörd för 9/15/09 6:49 PM Socialisering mellan småbarn och robotar vid ett centrum för småbarnspedagogik - PNAS Page 3 of 8 http://www.pnas.org/content/104/46/17954.Hela sessioner, det blev uppenbart att även om robotens beteenderepertoar var imponerande, det verkade inte lyhörd för barnen. Inledningsvis försökte den mänskliga styrenheten att fastställa vissa oförutsedda händelser mellan robotbeteende och barn (t.ex. genom att begära QRIO att vifta sin hand framför ett barn). Men sociala händelser gick för fort (t.ex., när roboten vinkade sin hand, var barnet borta). Vid session 11 infördes en enkel reflexliknande händelse så att QRIO fnittrade omedelbart efter att ha blivit rörd på huvudet. Denna beredskap gjorde klart för barnen att roboten var lyhörd för dem och tjänade till att initiera interaktionsepisoder över hela studien [se stödjande information (SI) Movie 1]. Under fas II sjönk interaktionens kvalitet snabbt. De första sex sessionerna i denna fas var utformade för att utvärdera två olika robotdansande algoritmer: (i) en koreograferad play-back-dans som hade utvecklats till stor kostnad och (ii) en algoritm där QRIO rörde sig som svar på det optiska flödet i sina kameror, vilket resulterar i beteenden som ser ut som spontan dans (23). Under sessionerna, som varade 30 min vardera, spelade roboten samma låt 20 gånger i följd med ett 10-s stumt intervall innan varje repris. För tre slumpmässigt utvalda sessioner kontrollerades roboten av den koreograferade dansen. För de övriga tre sessionerna kontrollerades den av den optik-flow-baserade dansalgoritmen. Bilda. 1 D och E visar förändringen i kvaliteten på interaktionen som en funktion av tiden inom de sex sessionerna. Punkterna motsvarar enskilda sessioner. Kurvan visar den genomsnittliga poängen för de fem domarna och de sex sessionerna. Grafen visar ett konsekvent förfall i kvaliteten på interaktionen inom sessionerna (F (1.500, 7.496) = 7.4768, P < 0,05). Kurvan är ungefär exponentiell med en tidskonstant på 3,5 min (dvs. det tar 4 min för poängen att bryta 36,7% av det ursprungliga värdet). Signifikanta sönderfall observerades också mellan olika sessioner (F (3, 1,871) = 358,07; P < 0,05). Typen av dansalgoritm hade ingen signifikant effekt (F (1, 7.496) = 2.961; P > 0,05), vilket visar att en enkel interaktiv dansalgoritm kunde utföra såväl som en mycket dyr koreograferad dans. Under de senaste nio sessionerna i fas II hjälpte den mänskliga regulatorn roboten med målet att lära sig att förbättra sin dansalgoritm (t.ex. genom att styra tidpunkten för start och slut på robotens dans). Den mänskliga kontrollantens ansträngningar var inte framgångsrika. Först efter omprogrammeringen av roboten för att ställa ut hela sin beteenderepertoar i fas III gick kvaliteten på interaktionen tillbaka upp till de nivåer som sågs i fas I (Fig. 1 B)................................................................................................ Haptiskt beteende mot robotar och peers. Målet med denna analys var att studera mer i detalj objektiva korrelerar de interaktioner som utvecklades mellan barn och robot. Baserat på en omfattande undersökning av videobanden, bestämde vi oss för att fokusera på haptiska beteenden. Kontaktepisoder identifierades och kategoriserades utifrån den del av roboten som vidrördes: arm/hand, ben/fot, bål, huvud och ansikte. Kodningen utfördes av F.T. Ram-för-ram inter-observer korrelationen med en oberoende kodare var 0.85. Det totala antalet gånger roboten berördes följde samma trend som kvaliteten på interaktionspoäng: Den ökade under fas I (slope, 1.21), minskade under fas II (slope, −3.6) och ökade igen under fas III (slope, 5.4). Statistisk klusteranalys visade två distinkta trender i utvecklingen av haptiska beteenden: (i) Frekvensen av beröring till benen, stam, huvud och ansikte följde en klockformad kurva som toppade vid ungefär session 16. Denna topp drevs av införandet, dag 11, av de sociala oförutsedda händelser som nämns ovan. (ii) Touch mot armar och händer följde en mycket annorlunda trend, ökande i frekvens stadigt genom hela studien (Fig. 2 A)............................................................... För att förstå den speciella karaktären av armar och händer, en analys av småbarn-till-toddler kontakt episoder under de senaste två sessionerna utfördes. För det första klassificerades kontakten mellan de små och medelstora företagen som "avsiktlig" eller "oavsiktlig" (den oberoende inter-observer-säkerheten för denna dom var 0,95). Oavsiktlig kontakt förekom mer eller mindre jämnt över kroppen (38,4 % arm/hand, 30,8 % bål, 30,8 % ben/fot). Avsiktlig peer-to-peer-kontakt riktades dock främst mot armar och händer (52,9%) jämfört med andra kroppsdelar (17,6% ansikte, 11,8% bål, 11,8% ben/fot, 5,9% huvud). Vi utvecklade ett index av social kontakt baserat på Pearson korrelationskoefficienten mellan småbarn-robot och småbarn-toddler kontaktfördelningar (Fig. 2 B)................................................................................................ Denna korrelation ökade signifikant under hela studien (F (1, 44) = 11, 45, P < 0, 05), med början vid noll i session 1 och slutade med en nästan perfekt korrelation vid den sista behandlingen. Således omorganiserade barnen gradvis det sätt på vilket de rörde vid roboten och rörde slutligen vid den med samma fördelning som observerats när de rörde vid sina kamrater. Det fanns två tillfällen då trenden mot peer-liknande behandling av roboten bröts: (i) när en nödsituation infördes så att roboten fnittrade som svar på huvudkontakt (tillfälligt ökande huvudkontakt, vilket sällan händer i småbarn-toddler interaktion) och (ii) under de första 6 dagarna av fas II, när roboten programmerades att dansa upprepade gånger. Haptiskt beteende mot robotar och leksaker. Förutom QRIO användes två kontrollleksaker under hela sessionerna: (i) en mjuk leksak som liknar en nallebjörn och (ii) en livlös leksaksrobot som liknar QRIO. Härefter kallas denna senare leksak för "Robby". Den färgstarka nallebjörnen hade framkallat många kramar i tidigare observationer med barn i denna ålder. Förvånansvärt nog ignorerades det under hela studiet. När barnen rörde vid QRIO, gjorde de det på ett mycket försiktigt sätt. Robby, å andra sidan, behandlades som ett livlöst föremål eller ett "block", vilket gjorde det svårt att hitta exakt var det rördes. Av denna anledning analyserades haptiska beteenden mot Robby och QRIO med hjälp av fyra nya kategorier: grovboende, kramande, beröring med föremål och skötsel. Grovt boende hänvisade till beteenden som skulle betraktas som våldsamma om de riktades mot människor. Bilda. 3 A visar att dessa beteenden ofta observerades mot Robby men aldrig mot QRIO. Hugging utvecklades på tydligt olika sätt mot QRIO och Robby (Fig. 3 B).................................................................. Robby fick ett överraskande antal kramar från dag 1, men frekvensen av kramar minskade dramatiskt allteftersom studien fortskred. Kramarna mot Robby framträdde som substitut för beteenden som ursprungligen var avsedda för QRIO på ett sätt som påminde om de förskjutningsbeteenden, som rapporterats av etologer över hela djurriket (24). Förskjutningshypotesen är baserad på följande fakta: (i) Den teddybjörn kontroll leksak som hade framkallat fler kramar än Robby under pilotarbete aldrig kramades när QRIO var närvarande. Robby, å andra sidan, kramades ofta när QRIO var närvarande. ii) När kramandet mot QRIO ökade (se SI Movie 2), minskade kramandet mot Robby. iii) Barn tittade ofta på QRIO när de kramade Robby (se SI Movie 3). Det bör noteras att kramkategorin inkluderade beteenden som att "hålla" eller "lyfta upp" som i allmänhet var mycket svårare att göra med QRIO än Robby, som är lättare och inte rör sig autonomt. Trots detta kramades i slutet av studien den minst krambara enheten, QRIO, mest, följt av Robby. Den mest krambara leksaken, nallebjörnen, kramades aldrig. En annan beteendekategori som utvecklades mycket annorlunda mot Robby än QRIO var "touching with objects". Denna kategori omfattade i allmänhet sociala spel (t.ex. att ge QRIO ett objekt eller sätta på en hatt). Dessa beteenden var sällan riktade mot Robby men ofta inträffade med QRIO (Fig. 3 C).................................................................. Vårdande beteenden observerades också ofta mot QRIO men sällan mot Robby. De vanligaste beteenden från denna kategori innebar att sätta en filt på QRIO/Robby medan säga "natt-natt" (se SI Movie 4). Detta beteende inträffade ofta i slutet av sessionen när QRIO lade ner på golvet när batterierna höll på att ta slut. Tidigt i studiet grät en del barn när QRIO föll. Vi rådde lärarna att lära barnen att inte oroa sig för det eftersom roboten har reflexer som skyddar den från skador när den faller. Men lärarna ignorerade våra råd och lärde barnen att vara försiktiga; annars kunde barnen lära sig att det är acceptabelt att knuffa ner varandra. Efter en månad i studiet grät barnen sällan när QRIO föll; istället hjälpte de dem att stå upp genom att trycka tillbaka eller dra i handen, ibland trots lärarönskemål (se SI Movie 5). Automatisk bedömning av kopplingsförmåga. Flera statistiska modeller har tagits fram och testats i ett försök att förutsäga den mänskliga utvärderingen av interaktionens kvalitet. För varje videoram under de 15 fältsessionerna, fick modellerna åtta binära ingångar som indikerar närvaro eller frånvaro av åtta haptiska beteendekategorier som beskrivs i föregående studie: röra huvudet, röra ansiktet, röra bålen, röra vid arm/hand, röra vid ben/fot, krama, röra vid föremål, och ta hand om. Målet med modellerna var att förutsäga, ram för ram, kvaliteten på interaktion poäng, i genomsnitt över de fyra mänskliga kodare. Bland de utvärderade modellerna var en av de enklaste och mest framgångsrika strukturerade enligt följande. För det första omvandlades de åtta ingångarna till en binär signal som visade om roboten hade rörts var som helst på sin kropp, en signal som kunde detekteras med hjälp av en enkel kapacitansbrytare. Denna binära signal var då lågpassfiltrerad, tidsfördröjning och linjärt skalad för att förutsäga kvaliteten på interaktionen i genomsnitt över de fyra mänskliga observatörerna. Fyra parametrar optimerades: i) bandbredden hos low-pass-filtret, ii) tidsfördröjningen, iii) tillsatsen och iv) multiplikativa konstanter i den linjära omvandlingen. Den optimala bandbredden var 0,0033 Hz, den optimala tidsfördröjningen var 3 s och den optimala multiplikativa och additiva konstanten var 4.9473 respektive 1.3263. Med dessa parametrar var korrelationskoefficienten mellan modellen och den mänskliga utvärderingen av interaktionens kvalitet över totalt 1.244.224 ramar 0,78, nästan lika bra som den genomsnittliga överenskommelsen mellan människor (0,80). Mer komplexa modeller testades också som tilldelade olika filter och olika vikter till olika haptiska beteenden, men de förbättringar som uppnåddes av sådana modeller var små. Bilda. 4 visar utvärderingen av de fyra mänskliga kodarna och förutsägelserna baserat på touch-modellen för en enda session. Representativa bilder visas också från olika delar av sessionen. Vi presenterade kvantitativa beteendebevis som efter 45 dagars nedsänkning i ett barnomsorgscenter under en period av 5 månader, långvarig bindning och socialisering inträffade mellan småbarn och en toppmodern social robot. I stället för att förlora intresset förbättrades interaktionen mellan barn och roboten med tiden. Barn visade en mängd olika sociala och omsorgsfulla beteenden mot roboten och behandlade den steg för steg mer som en kamrat än som en leksak. I den aktuella studien fick roboten 1 byte information från en mänsklig styrenhet ungefär en gång varannan minut. Ett möjligt scenario är att denna byte av information är vad som skiljer nuvarande sociala robotar från framgång. Analysen av signalerna från den mänskliga styrenheten visade dock att de inte gjorde mycket mer än att öka variabiliteten i robotens beteende under inaktiv tid, orientera den mot mitten av rummet, och undvika kollision med stationära föremål. I efterhand inser vi att roboten, förutom bristen på enkla, beröringsbaserade sociala oförutsedda händelser, nästan var redo för full autonomi. Resultaten belyste den särskilt viktiga roll som haptiska beteenden spelade i socialiseringsprocessen: (i) Införandet av en enkel beröringsbaserad oförutsedd situation hade en genombrottseffekt i utvecklingen av sociala beteenden mot roboten. ii) Allteftersom studien fortskred sammanföll fördelningen av beröringsbeteenden mot roboten till fördelningen av beröringsbeteenden mot andra kamrater. (iii) När beröring integreras under några minuter, var en förvånansvärt bra förutsägare av den pågående kvaliteten på social interaktion. Den betydelse som beröringen har spelat i vår studie påminner om Harlows experiment med barnmacaques som tagits upp av artificiella surrogatmammor. Baserat på dessa experiment drog Harlow slutsatsen att "kontaktkomfort är en variabel av överväldigande betydelse för utvecklingen av tillgiven respons" (25). Vårt arbete tyder på att beröring integrerad på tidsskalan för ett par minuter är ett förvånansvärt effektivt index av social samhörighet. Något liknande detta index kan användas av den mänskliga hjärnan för att utvärdera dess egen känsla av socialt välbefinnande. En förutsägelse från en sådan hypotes är förekomsten av hjärnsystem som håller reda på detta index. En sådan hypotes skulle kunna testas med nuvarande hjärnbildande metoder. Det bör påpekas att roboten blev en del av en stor social ekologi som inkluderade lärare, föräldrar, småbarn och forskare. Denna situation illustreras bäst av det faktum att lärarna, trots våra råd, lärde barnen att behandla roboten varsamt så att den inte skulle falla lika ofta. På grund av sina flytande rörelser framstod roboten som verklighetstrogen och utnyttjade de intensiva känslor som den utlöste hos människor på ett sätt som andra väsen inte kunde göra. Våra resultat tyder på att dagens robotteknik är förvånansvärt nära att uppnå autonom bindning och socialisering med mänskliga småbarn under betydande tidsperioder. Baserat på lärdomarna från detta projekt utvecklar vi nu robotar som interagerar självständigt med barnen i rum 1 i veckor i taget. Dessa robotar samskapas i nära samverkan med lärarna, föräldrarna och, viktigast av allt, barnen själva. Rum 1 vid ECEC är indelat i två inomhusrum och en utomhuslekplats. I samtliga studier var QRIO beläget i samma rum, och barn tilläts röra sig fritt mellan de olika rummen (Fig. 5).................................................................. Rum 1 rymmer 12 barn mellan 10 och 24 månaders ålder. I början av studien fanns totalt sex pojkar och fem flickor. I april 2005 flyttade en pojke ut och en pojke och en flicka flyttade in. Huvudläraren i rum 1 assisterades av ytterligare två lärare. Lärarna, särskilt rektorn, deltog aktivt i projektet och gav feedback om de dagliga sessionerna. F.T. ska ersättas med följande: och J.R.M. Utgifter från oktober 2004 till mars 2005 för volontärarbete 10 timmar i veckan vid ECEC före studien. Denna tid gjorde det möjligt för dem att upprätta viktiga personliga relationer med lärare, föräldrar och barn och hjälpte dem att identifiera de utmaningar som sannolikt kommer att uppstå under mötena på fältet. Fältstudien skulle inte ha varit möjlig utan de interpersonella förbindelser som upprättats under dessa 5 månader. I mars 2005 introducerades QRIO till klassrummet. Alla fältsessioner genomfördes från 10:00 till 11:00. Det experimentella rummet hade alltid en lärare när ett barn var närvarande, liksom en forskare med ansvar för säkerhet, vanligtvis J.R.M. Studierna godkändes av UCSD:s institutionella granskningsnämnd inom ramen för projekt 041071. Informerat samtycke erhölls från alla föräldrar till barn som deltog i projektet.  Det fanns tre spelplatser, och QRIO placerades en av dessa. Barn var fria att röra sig fram och tillbaka mellan utrymmen och på så sätt ge information om sina preferenser.
På liknande sätt införlivade REF ett sovande beteende för sin robot QRIO när batteriet var lågt, samtidigt interagerar med småbarn.
Socialization between toddlers and robots at an early childhood education center
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Medicine', 'Engineering']}