Классический индийский танец вдохновляет на новые способы обучения роботов использованию рук

Исследователи из Университета Мэриленда в округе Балтимор (UMBC) извлекли строительные блоки точных жестов рук, используемых в классической индийской танцевальной форме Бхаратанатьям, и обнаружили более богатый «алфавит» движений по сравнению с естественными хватами. Эта работа может улучшить то, как мы обучаем роботов движениям рук, и предложить людям более эффективные инструменты для физиотерапии.

Документ, описывающий эту работу, опубликовано в журнале Научные отчеты.

Рамана Винджамури, профессор UMBC и ведущий исследователь этой работы, сосредоточил свою лабораторию на понимании того, как мозг контролирует сложные движения рук. Более десяти лет назад он и его партнеры по исследованиям начали искать и каталогизировать строительные блоки движений рук, опираясь на концепцию под названием кинематическая синергияпри котором мозг одновременно координирует движения нескольких суставов, упрощая сложные движения.

Эту концепцию можно использовать для того, чтобы разложить ошеломляющее разнообразие движений на ограниченное число фундаментальных единиц, подобно тому, как сотни тысяч различных слов в английском языке можно разбить всего на 26 букв.

Дальнейшее вдохновение пришло к Винджамури, когда в 2023 году он посетил научную конференцию по мозгу, организованную Индийским технологическим институтом Манди в безмятежных предгорьях Гималаев. В то время как мозговой штурм идей для сессии конференции был сосредоточен на том, как древние индийские традиции могут быть применены к современным проблемам, Винджамури придумал новый подход к получению этих строительных блоков — из широкого спектра точных жестов рук, называемых мудрами, которые используются в индийском классическом танце для придания повествовательного элемента этой форме искусства.

«Мы заметили, что танцоры, как правило, очень изящно стареют: они остаются гибкими и подвижными, потому что тренируются», — говорит Винджамури. «Это послужило для нас огромным вдохновением, когда мы начали искать более богатый алфавит движений. В танце мы ищем не просто здоровое движение, а сверхздоровое. И поэтому возник вопрос, сможем ли мы найти «сверхчеловеческий» алфавит на основе танцевальных жестов?»

Естественные и структурированные движения

В рамках недавно опубликованного исследования Винджамури и его ученики начали с анализа набора данных из 30 естественных хватов, используемых для поднятия предметов разного размера — от больших бутылок с водой до крошечных бусинок. Они обнаружили шесть синергий, похожих на алфавит из шести букв, которые в сочетании могут объяснить почти 99% вариаций движений, представленных в полном наборе данных.

Используя те же методы, исследовательская группа также проанализировала 30 мудр, выполняемых одной рукой. Они обнаружили шесть синергий, которые могут объяснить около 94% вариаций мудр.

Что особенно важно, команда затем проверила, насколько хорошо шесть естественных синергий, полученных из хватания, могут сочетаться для создания несвязанных между собой движений рук — в данном случае 15 букв американского алфавита языка жестов — по сравнению с синергией, полученной из мудр. Синергия, полученная от мудр, значительно превзошла естественную синергию при выполнении этой задачи.

«Когда мы начали исследования такого типа более 15 лет назад, мы задавались вопросом: можем ли мы найти золотой алфавит, который можно использовать для реконструкции чего угодно?» — говорит Винджамури. «Теперь я очень сомневаюсь, что такое существует. Но алфавит, полученный из мудр, определенно лучше, чем алфавит естественного хвата, потому что в нем больше ловкости и большей гибкости».

В конечном итоге Винджамури предполагает создать библиотеки алфавитов для конкретных задач, которые можно будет использовать в зависимости от потребностей, будь то выполнение повседневных домашних дел, таких как приготовление пищи или складывание белья, или что-то более сложное и точное, например игра на музыкальном инструменте.

Роботизированные руки помощи

В настоящее время команда разрабатывает методы «обучения» роботизированных рук алфавиту движений и тому, как комбинировать их для создания новых жестов. Этот подход знаменует собой отход от стандартных методов обучения роботов имитированию жестов рук и переход к методу, основанному на нашем понимании того, как работают человеческое тело и мозг.

Исследователи тестируют методы на отдельной роботизированной руке и роботе-гуманоиде, каждый из которых работает по-своему и требует уникального подхода к переводу математических представлений синергии в физические движения.

Команда также добилась больших успехов в разработке экономически эффективных и прагматичных методов тестирования и реализации своих идей. Они используют простой камера и программное обеспечение «Система для распознавания, записи и анализа движений — важный вклад в создание экономически эффективных технологий, которые люди могли бы использовать в своих домах, таких как виртуальная система для обучения людей во время сеансов физиотерапии», — говорит Винджамури.

«Как только я узнал о синергии, мне стало очень интересно посмотреть, сможем ли мы использовать их, чтобы заставить роботизированную руку реагировать и работать так же, как человеческая рука», — говорит Партан Оликкал, давний сотрудник лаборатории Винджамури, который в настоящее время работает над докторской диссертацией в области компьютерных наук. «Добавить свою собственную работу к исследовательским усилиям и увидеть результаты было очень приятно».