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激似人類的機器人,為何笑得你心底發寒?火紅半世紀的「恐怖谷理論」

Te-Yi Hsieh_96
・2020/09/05 ・5110字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 文/Te-Yi Hsieh現為英國 University of Glasgow 博士生,主修 Neuroscience and Psychology。研究領域介於心理學、機器人學、神經科學的交界處。

科技日新月異,我們或多或少都在新聞、報章雜誌中看過外貌激似真人的人型機器人。

例如,日本石黑浩(Hiroshi Ishiguro)教授建造與自己如同雙胞胎的機器人、第一個獲得公民權的阿拉伯機器人蘇菲亞(Sophia) ,以及日本長崎奇怪飯店(Henn na Hotel)的人型機器人房務

石黑浩教授,以及他創造的雙胞胎機器人。(圖/Flickr,Ars Electronica)

現今科技之進步確實讓人瞠目結舌,有一些機器人甚至擁有柔軟的矽膠皮膚呢!

但也許很多人跟我一樣,在看到這些人型機器人時有種詭異、不寒而慄的感覺,尤其是那些越接近真人的機器人,越令人毛骨悚然!

事實上,這樣的不舒服感受有個專有名詞可以解釋,叫做「恐怖谷理論」(亦稱詭異谷,Uncanny Valley)。

什麼是恐怖谷理論?

「恐怖谷」最早由日本機器人學教授 Masahiro Mori 於 1970 年提出1。該理論以一曲線(下圖)說明,人們面對越像自己(人類)的對象,好感度會越高。

恐怖谷理論(翻譯自Piwek、McKay ,與Pollick 之期刊論文)

但是當對方的樣貌是幾乎和自己(人類)一樣,卻又出現幾個意外的「非人」特徵時(像是,關節處顯露的機械構造),好感度就會驟降,掉到曲線圖中的谷底。

只有當對象是跟我們完全一樣、是活生生的人類時,好感度才會攀升至最高點。

我們看著機器人幾乎和真人無異的外貌,以及難免顯露的非人特徵,像是機器人僵硬的表情、顯露的機械構造,或是空洞的眼神,內在觀感極為容易被帶入恐怖谷中,抗拒感油然而生。

看著蘇菲亞做出各式各樣的表情,你是覺得親切,還是「有點怪怪的」呢?(圖/Giphy

此外,對於靜態、動態的對象,此理論也做出不同假定:動態的對象會比靜態的帶來更強烈的恐懼感。

顯而易見地,會動的殭屍比靜止的屍體恐怖好幾百倍啊!

我們的恐懼,究竟從何而來?

自 1970 年以來,學者也試著對恐怖谷提出不同解釋。

首先,Mori 本人認為這樣「恐怖」的感覺來自於一種生存的本能,因為這些似人非人的訊息通常透露著生存上的「危險」,像是看見屍體、殘缺的人體軀幹等等,大腦會反射性地產生恐怖的感受、讓自身避開此情境。

提出恐怖谷理論的 Mori 認為,這是人類感知到危險的心理反應。(圖/Giphy

Bartneck 與同事3則是用「框架理論」(Framing theory)來解釋此曲線,他們認為這樣令人反感的情緒來自於與自身「基模」(schema)相衝突的刺激物。

也就是說,當我們第一眼看到一個極似真人的人型機器人,腦中關於「人類」的基模會被促發,此基模包含我們對於人類此概念的豐富的知識,因此一旦察覺到任何「非人」的訊息,都會造成認知上的強烈衝突、預期落空,進而產生反感。

此解釋更近一步得到功能性磁振造影(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)的證據4,以及貝氏數學模型(Bayesian model)的結果5支持。

然而時至今日,研究人員對於恐怖谷產生的真正原因、甚至恐怖谷是否存在,都尚未達成共識。

除了恐怖谷,還有恐怖懸崖!

事實上,Mori當初是根據自身研究經驗、個人觀點提出這個恐怖谷「假說」,並非根據實證資料推論出的結果。

因此,有些研究者在親自進行實驗、數據分析後,竟得到完全不一樣的曲線!

例如,Bartneck與其團隊3為了驗證恐怖谷理論的正確性,採用一系列不同對象的照片,包含:

  • 取自ELLE時尚雜誌的真人模特兒照
  • 修圖後皮膚顏色變綠的真人照片
  • 電繪人像
  • 擬人機器人(android):如ActroidEveRRepliee Q1
  • 人形機器人(humanoid):如QRIOASIMO
  • 動物型機器人:如AIBOPaReRoiCat

他們讓 58 位受試者分別觀看這些圖片,並回答「它有多像人」、「我對它的喜好程度」等等的問題。

你覺得它們像人嗎?你喜歡它們嗎?(圖/擷取自原始論文3

研究團隊原先預期,受試者應該最不喜歡綠皮膚真人、擬人機器人的照片,因為這兩種照片跟真人照片幾乎沒有差別,僅有少數非人的特徵。

殊不知,統計數據的結果顯示,雖然動物型機器人的擬人程度最低,卻是最受喜愛的對象;人形機器人雖擬人程度位居倒數第二位,受喜愛程度僅次於動物機器人。

完整的喜好排名為:動物型機器人、人形機器人、電繪人像、綠皮膚真人、擬人機器人,最後才是真人

在這個排名中,最令他們驚訝的是,人們對綠皮膚真人與擬人機器人的好感度,不但沒有比較低,甚至還高於真人模特兒的照片!而且對人形機器人的照片的喜好同樣也高於真人照片。

這樣的數據,與Mori的理論大相徑庭。

基於這樣的數據結果,他們推測真實的曲線可能並非恐怖谷,而是恐怖懸崖(Uncanny cliff),並且建議機器人設計者不應一味追求高度擬人化外觀,而應注重外型與功能間的平衡。

Bartneck與研究團隊的「恐怖懸崖」(圖/翻譯自原始論文3

然而 Bartneck 研究中令人較為存疑的是,受試者評定真人照片的擬人化程度竟比其他照片都還要低!究竟 58 人的評分是否具代表性? Bartneck 團隊從 ELLE 時尚雜誌選用的真人照片是否偏誤?都有待商討釐清。

此外,也因為人類擁有豐富的社交經歷,對「真人」的喜好較明確,也受個人經歷、文化等因素影響。因此,單一、特定的人類照片或許無法代表概括性的「人類」此一種類。

細數那些「背叛」恐怖谷理論的研究

比起「恐怖」的情緒,也有研究團隊提出了幾乎相反的結果。

Cheetham、Suter,和 Jancke6發現,當我們無法用肉眼判斷這張圖到底是真人,還是電繪人像(avatar)時,這些越似人非人的臉,越與人們的正向情緒連結,因此,該研究團隊認為恐怖谷實際上應該是「快樂谷」(Happy valley)

會動的,一定比較可怕嗎?(圖/Giphy

最後,雖然有研究利用「靜態圖片」驗證了恐怖谷的曲線,但是當刺激物改成「動態短片」呈現時,曲線反而趨於平坦,與 Mori 原先假定的「動態物體將帶來更為極端的恐怖谷現象」完全相反2

然而我們在解釋單一研究結果時,仍不能忘了:不同實驗素材(例如,研究者選用的圖片、影片)、不同受測對象(例如,受試者是大學生?西方人?)都會對結果產生影響。

另外不可忽略的是, Mori 教授在 1970 提出恐怖谷理論時是以日文撰寫,他當時用「親合感」 (shinwa-kan)來描述本文中的「好感度」,英文裡較適切的翻譯為「affinity」或是「likability」。

但有許多研究中都選用「familiarity」,而 familiarity 一字強調的是過去經驗,而非情感連結,使測量的效度受到質疑1,3

哼哼,咱人類可不只是外貌協會!

雖然要統一總結個別研究的結果並不容易,但研究者目前仍普遍認同:要打造能自然與人社交的機器人,一味追求外觀的擬人化並非一個明智的解法,反而更需著重在外觀與功能上的平衡1,3,7

因為似人的外貌,會讓使用者期待能以似人的社交方式與之互動,然而要模擬人類社交互動是一項極具挑戰性的工作,例如,機器人的細微表情、情感表達、語言理解、表達、認知歷程、身體律動等等都須加以控制、設計。

除了外貌以外,機器人的運動方式、語言表達等等功能,也都需要經過精心的設計和考量。(圖/Giphy

從我們目前有的人型機器人來看,此項挑戰似乎尚未成功過,即使是那些乍看下與真人無異的機器人,一但開口、與人互動,不自然與漏洞百出的應對便顯而易見。

在人機互動中,我們能探討的面向仍相當多,像是機器人的語言能力、情緒表達、行為模式、互動者人格特質、個人經歷,絕非是「外觀擬人化程度」一項因素能決定整體互動品質的8,9

當機器人總是被貼上「毀滅世界」的標籤

此外,我們對機器人的態度、好感度也受到媒體文化制約著,許多人不喜歡機器人可能是因為電影經常把機器人塑造成「人類物種的威脅」。


曾在訪談中開玩笑要毀滅人類的蘇菲亞,被全球媒體熱烈的報導。

然而,運用科技本身無善惡之分,好與壞終究在於使用者。

更何況,我們目前現有的機器人跟科幻電影中的、一般人期待的都差距非常、非常多。

像是在日本長崎的奇怪飯店(Henn na Hotel),雖在四年前目標成為世界上第一家由機器人組成的飯店,卻在2019年因為大多數機器人無法妥善回應房客期待、錯誤百出,而決定逐漸轉回聘用人類員工

怪奇飯店曾以「世界上第一家由機器人組成的酒店」而聲名大噪。(圖/Flickr,MIKI Yoshihito)

即使現有的社交機器人大多只能做為輔助工具,無法全取代人力,但是研發機器人對人們生活品質的益處,仍是顯而易見的。

例如,在人口老化社會中,機器人能補足長照資源不足的問題,取代大部分勞力工作,減輕照顧者的負擔10

想讓機器人更貼近人類?千萬不可只注重外表

回到本文所探討的問題中心,人型機器人是否會無一避免地掉入恐怖谷中?就目前的研究證據來看,我們似乎尚未能給出一個肯定的答案。如同大多研究問題,正反方的證據同時存在於文獻中。

再者,恐怖谷曲線很可能會因個人偏好、生活經歷而有所不同。

如 Mori 將「日本人形木偶」(bunraku puppet)放在相當靠近真人親合度的位置。雖然在 Mori 的理論原文中,他也承認這樣的木偶其實說不上是高度擬人化的,但是當在看木偶戲時,會不自覺忘卻木偶非人的外觀特徵,深深融入故事情境與人物情感中。

對於日本人、愛看木偶戲的人而言,可能會對日本的木偶更親切。(圖/Flickr,Leonardo Boiko)

相對地,我們每個人會覺得親近、懼怕的對象、特徵,也與我們人生經歷緊緊連結,這為探討擬人化外表與互動者好感度關聯的議題上,增添了許多變項與困難。

然而,不管恐怖谷存在與否,都提醒了機器人設計者,不該一味追求高度擬人但可能造成反效果的外貌。

皮克斯動畫「瓦力」(WALL-E)裡的瓦力跟伊芙、迪士尼「大英雄天團」(Big Hero 6)裡的杯麵,它們長得都完全不像人類,卻仍深得觀眾的喜愛。

明明杯麵(左)和瓦力(右)都很不像人類,卻得到非常多觀眾的喜愛。(圖/Wikipedia)

要打造良好人機關係、提高大眾對機器人的接受度,或許該更強調於情緒表達9、互動模式11、社交技能7,以及使用者在長期人機互動中的心理歷程12,13,畢竟,人類在社交互動中也不是單看外表的膚淺生物吧!

備註

humanoid 和 android 雖然時常混用,用來指稱似人的機器人,但事實上兩詞定義有些微不同。

  • humanoid:泛指擁有部分人類外型特徵、受人型啟發設計的機器人,不管擬人程度高或低都能稱為humanoid。
  • android:特指完全模仿真人外觀的機器人,會擁有似人的皮膚、頭髮、身材比例,與互動方式等等,如大阪大學(Osaka University)與 Kokoro 公司製造的 Actroid 機器人。

參考文獻

  1. 1Mori, M., MacDorman, K. F. & Kageki, N. The uncanny valley. IEEE Robot. Autom. Mag. (2012) doi:10.1109/MRA.2012.2192811.
  2.  Piwek, L., McKay, L. S. & Pollick, F. E. Empirical evaluation of the uncanny valley hypothesis fails to confirm the predicted effect of motion. Cognition 130, 271–277 (2014).
  3.  Bartneck, C., Kanda, T., Ishiguro, H. & Hagita, N. Is The Uncanny Valley An Uncanny Cliff? in RO-MAN 2007 – The 16th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication 368–373 (2007). doi:10.1109/ROMAN.2007.4415111.
  4.  Saygin, A. P., Chaminade, T., Ishiguro, H., Driver, J. & Frith, C. The thing that should not be: predictive coding and the uncanny valley in perceiving human and humanoid robot actions. Soc. Cogn. Affect. Neurosci. 7, 413–422 (2012).
  5.  Moore, R. K. A Bayesian explanation of the ‘Uncanny Valley’ effect and related psychological phenomena. Sci. Rep. 2, 864 (2012).
  6.  Cheetham, M. Perceptual discrimination difficulty and familiarity in the Uncanny Valley: more like a “Happy Valley”. Front. Psychol. 15.
  7.  Dautenhahn, K. Socially intelligent robots: dimensions of human-robot interaction. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 362, 679–704 (2007).
  8.  Hortensius, R. & Cross, E. S. From automata to animate beings: the scope and limits of attributing socialness to artificial agents: Socialness attribution and artificial agents. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1426, 93–110 (2018).
  9.  Hortensius, R., Hekele, F. & Cross, E. S. The Perception of Emotion in Artificial Agents. IEEE Trans. Cogn. Dev. Syst. 10, 852–864 (2018).
  10.  Zsiga, K. et al. Home care robot for socially supporting the elderly: Focus group studies in three European countries to screen user attitudes and requirements. Int. J. Rehabil. Res. (2013) doi:10.1097/MRR.0b013e3283643d26.
  11.  Feil-Seifer, D. & Matarić, M. J. Socially assistive robotics. Robot. Autom. Mag. IEEE 18, 24–31 (2011).
  12.  Hortensius, R. & Cross, E. S. From automata to animate beings: The scope and limits of attributing socialness to artificial agents. Ann. N. Y. Acad. Sci. (2018) doi:10.1111/nyas.13727.
  13.  Henschel, A., Hortensius, R. & Cross, E. S. Social Cognition in the Age of Human–Robot Interaction. Trends Neurosci. S0166223620300734 (2020) doi:10.1016/j.tins.2020.03.013.

作者資訊

Te-Yi Hsieh|現為英國University of Glasgow 博士生,主修 Neuroscience and Psychology。研究領域介於心理學、機器人學、神經科學的交界處。

欲知更多作者的研究相關資訊可關注:http://www.so-bots.com/
Twitter: @TeYiHsieh

  • 責任編輯|儀珈

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Te-Yi Hsieh_96
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現為英國 University of Glasgow 博士生,主修 Neuroscience and Psychology、Social Robotics。 更多研究相關資訊 👉 個人網頁(https://hsadeline.wixsite.com/teyihsieh)、實驗室網頁(http://www.so-bots.com/)、Twitter: @TeYiHsieh

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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