معرفی کلی آزمایشگاه رباتیک اجتماعی
رباتیک اجتماعی یک علم بین رشته‌ای و ترکیبی از رشته‌های مهندسی اعم از مکانیک، الکترونیک و کامپیوتر با رشته‌های روانشناسی‌ای است که نحوۀ انجام مداخلات و اثربخشی آن‌ها را مطالعه می‌کنند. زمینۀ رباتیک اجتماعی از سال ۹۳ توسط دکتر مقداری و گروهشان که شامل افرادی همچون خانم عالمی و آقای دکتر طاهری که در آن زمان دانشجوی دکتری بوده و هم‌اکنون عضو هئیت علمی دانشکده هستند، آغاز شد.
از زمان تأسیس این آزمایشگاه، هدف، به‌کارگیری فناوری‌های رباتیک، واقعیت مجازی و سامانه‌های مبتنی بر اندروید برای کودکانی بود که نیازهای خاص دارند. منظور از کودکان دارای نیازهای خاص، برای مثال کودکان طیف اوتیسم است که نمی‌توانند برخی رفتارهای سادۀ اجتماعی را انجام داده یا با دیگران به‌خوبی ارتباط برقرار کنند. کودکان دارای سندروم دان که از بهرۀ هوشی پایین‌تری برخوردارند، کودکانی که اختلال شنوایی داشته و یا ناشنوا هستند، کودکانی که اختلالات یادگیری داشته و یا حتی مشکلات جسمانی دارند، در این دسته قرار می‌گیرند.
هرکدام از این بیماری‌ها نیازمند مداخلۀ بالینی متفاوتی‌اند و ربات یا فناوری واقعیت مجازی برای هرکدام یک شاخصۀ شناختی متمایز را مد نظر قرار می‌دهد. این شاخصه‌ها برای کودکان اوتیسم تقویت تعاملات اجتماعی، به‌طور خاص تقلید و توجه اشتراکی و برای کودکان نارساخوان، آگاهی واجی است. در کودکان سرطانی، هدف کاهش اضطراب و استرس است. در ابتدا ربات «نائو» و سپس ربات «آرش» و ربات «مایا» که به شکل فیل است، ساخته شدند تا به بیمارستان‌ها برده شده و بازخورد کودکان به بیماری‌شان را برایشان توضیح دهند و با دوستی با آن‌ها استرسشان را کاهش دهند.
در واقع می‌توان گفت این نیازهای ویژه احتیاج به پاسخ‌های ویژه‌ای دارند که رباتیک اجتماعی می‌تواند یکی از این پاسخ‌ها باشد. در همین راستا محوریت فعالیت آزمایشگاه تعیین شد؛ استخراج پاسخ‌های ویژۀ فناورانه به کودکانی که نیازهای ویژه دارند. اما رباتیک اجتماعی چه مزایایی دارد که می‌تواند به‌عنوان یک پاسخ برای این نیازها در نظر گرفته شود؟ برای مثال یک ربات را که نقش آموزش دارد، در نظر بگیرید. چند مشخصه می‌تواند این ربات را از یک معلم و سایر روش‌های آموزشی متمایز کند. از آنجایی که یک ربات برنامه‌نویسی می‌شود، در تعداد دفعاتِ تعاملش با کودکان محدودیتی وجود ندارد و این‌گونه نیست که توضیح یک مطلب برای دفعات متعدد از صبر و حوصلۀ آن خارج باشد. نکتۀ دوم جذابیت سمعی و بصری ربات‌هاست. این ربات‌ها با توجه به ملاک‌های زیبایی‌شناختی طراحی شده و با ترکیب‌شدن صوت و تصویر زیبا، گزینۀ جذابی برای تعامل با کودکان هستند. نکتۀ سوم هم این است که کودکان در سن خاصی فکر می‌کنند که این ربات‌ها خودشان حرف می زنند و تمایل دارند تا با آن‌ها دوست شوند و ارتباط برقرار کنند؛ بنابراین از ربات‌ها حرف‌شنوی بهتری نیز دارند. همۀ این عوامل باعث می‌شوند تا رباتیک اجتماعی بتواند شور و اشتیاق کافی برای فرایند آموزش در کودک به‌وجود بیاورد و پاسخ مناسبی برای نیاز در این حوزه باشد.
روند کار در آزمایشگاه
روند کار در آزمایشگاه به این شکل است که ابتدا این نیازها تشخیص داده می‌شوند، سپس متناسب با آن‌ها یا از ربات‌هایی که موجود هستند استفاده می‌شود یا از ربات‌های تجاری موجود خریداری‌شده مانند ربات نائو که رباتی تجاری است، یا در نهایت رباتی با توجه به آن نیاز طراحی و ساخته می‌شود.
در سال‌های ۹۳ و ۹۴ ما تنها ربات‌های نائو را داشتیم. با به‌کارگیری ربات‌ها، شاهد بازدهی آن‌ها بودیم و با مطالعۀ اثربخشی آن‌ها با خودمان فکر کردیم که چرا ربات بومی نسازیم؟ بعد از اینکه اثربخشی ربات نائو را روی کودکان سرطانی مشاهده کردیم و همین‌طور مقالۀ خانم دکتر عالمی در سال ۲۰۱۴ در «کنفرانس ICSR» که معتبرترین کنفرانس رباتیک اجتماعی است، به‌عنوان بهترین مقاله انتخاب شد، روند ساخت ربات‌ها در آزمایشگاه رباتیک اجتماعی آغاز شد. پس از آن در این آزمایشگاه، نُه ربات ساخته شده است.
همان‌طور که مختصراً گفته شد، در آزمایشگاه رباتیک اجتماعی-شناختی، مراحل کار این‌گونه است: ابتدا نیازهای خاص کودکان تشخیص داده شده، با توجه به آن نیازها ربات طراحی و سپس ساخته می‌شود. طراحی و ساخت، شامل مراحلی از جمله پیاده‌سازی، سرهم‌بندی، جانمایی و ... است. قدم بعدی برنامه‌نویسی ربات با هدف کنترل آن و متناسب با کارکردهای تعریف شده است که در حال حاضر با پلتفرم Ross (robot operating system) که از به‌روزترین پلتفرم‌های کنترل ربات حتی در مقیاس صنعتی است، انجام می‌شود. همۀ این مراحل، اعم از فرایند طراحی صنعتی، ساخت و توسعۀ نرم‌افزاری در همین آزمایشگاه انجام می‌گیرند. مرحلۀ آخر نیز مطالعۀ بالینی و بررسی میزان اثربخشی است که با همکاری تیم روانشناسی انجام می‌شود.
همان‌طور که احتمالاً در درس طراحی اجزا خوانده‌اید، طراحی مفهومی، طراحی صنعتی و طراحی جزئیات از قسمت‌های مهم در روند طراحی‌اند. ساخت ربات از طراحی مفهومی آغاز شده و با طراحی جزئیات ادامه می‌یابد. در کنار این دو، همواره یک طراح صنعتی از دانشکدۀ هنر در آزمایشگاه ما در روند طراحی نمونه‌های اولیه مشارکت داشته است. طراحی ظاهر یک ربات از جمله بدنه و انحناهای آن توسط طراح صنعتی انجام می‌شود و در ادامه، این طراحی در نرم‌افزارهایی مثل CATIA و SolidWorksپیاده‌سازی می‌شود. در طراحی مفهومی، کلیت اجزای ربات مشخص می‌گردد؛ برای مثال تصمیم‌گیری می‌شود که واحد پردازندۀ مرکزی ربات چه باشد؟ mini PC، Raspberry یا ... . متناسب با آن محل قرارگیری باتری چگونه باشد؟ البته همۀ ربات‌ها نیاز به باتری ندارند و برخی مانند انواع رومیزی آن‌ها مستقیماً به برق متصل می‌گردند. اما ربات‌های متحرکی که راه می‌روند، به باتری احتیاج دارند که این موارد در طراحی مفهومی مشخص می‌شوند. با مشخص‌شدن این کلیات، جانمایی تک‌تک المان‌های ربات در بخش طراحی جزئیات پیگیری می‌شود. در این قسمت، همۀ اجزا حتی سیم‌های داخل ربات نیز طراحی و مدل‌سازی می‌شوند. البته در روند طراحی، همواره تعدادی از قطعات و مکانیزم‌های اولیه به‌صورت جداگانه ساخته می‌شوند و مورد ارزیابی قرار می‌گیرند و بعد طراحی جزئیات انجام می‌شود؛ یعنی بین طراحی مفهومی و طراحی نهایی تعدادی ساخت اولیه انجام شده و امکان‌سنجی می‌گردد.
برای ساخت مدل نیز از قالب‌گیری استفاده نمی‌شود؛ بلکه با کمک فرایند FDM بخش‌های مختلف ربات به‌صورت اتصالات نری و مادگی پرینت و به یکدیگر متصل می‌گردند و یا اتصال قطعات با کمک حلّال PLA صورت می‌پذیرد. بعد از آن سطوح، پرداخت و در نهایت رنگ می‌شوند که رنگ‌کردن تنها مرحله‌ای از کار است که برون‌سپاری می‌گردد.
از چالش‌های بخش ساخت در ربات‌هایی که داشتیم، می‌توانم به پروژکتور ربات تابان اشاره کنم. پروژکتور مورد نیاز باید تصویر با کیفیت خوبی را با بُرد دوطبقه ارائه می‌کرد. همچنین سنگینی و گشتاوری که این پروژکتور اعمال می‌کرد، از چالش‌های دیگر آن بود. البته پروژکتورهای خوبی در دنیا وجود داشتند که دسترسی به آن‌ها در ایران ممکن نبود. این محدودیت دسترسی برای اجزای دیگر ربات مانند موتورهای Dynamic cell که از کره وارد می‌شوند و هم‌اکنون نیز در تأمین آن‌ها مشکل داریم نیز، وجود دارند.
قسمت‌های الکترونیکی ربات‌ها از طراحی بردها تا برنامه‌نویسی آن‌ها، تماماً توسط دانشجوهای مکاترونیک خود آزمایشگاه انجام می‌شده و می‌شود. همان‌طور که قبلاً به‌صورت مختصر اشاره کردم، Ross یک سیستم‌عامل رباتیک است که همۀ سنسورها و اکچوئیتورها را مدیریت می‌کند. به‌عبارتی یک بستر است که داده‌های سنسورها و اکچوئیتورها در آن قرار گرفته و هر بخش از ربات متناسب با عملکرد و نیازش به این داده‌ها، از آن‌ها استفاده و بهره‌برداری می‌کند. بسته به کاربرد، یکی از انواع نرم‌افزار Ross، یعنی Ross 1، Ross 2، Ross Synetic، Ross Neumaticو Ross Melodic روی ربات پیاده‌سازی می‌گردد. تمام موتورها، سنسورها و اکچوئیتورهای ربات به پکیج‌های این نرم‌افزار شناسانده می‌شوند که از سنسورهای رایج می‌توان به سنسور دوربین و میکروفون اشاره کرد. انواع دوربین‌هایی مثلrealsense ،cinect یا دوربین معمولی استفاده می‌شوند که حتی می‌توانند لایه‌دار باشند و از کل محیط اسکن دوبعدی انجام دهند که ربات آرش این قابلیت را داراست. همچنین در ربات‌ها معمولاً از آرایه‌های میکروفونی استفاده می‌گردد که قابلیت تشخیص جهت صدا نیز وجود داشته باشد. بسته به کاربرد، سنسورهای دیگری مانند سنسور لمس نیز در ربات‌ها موجود هستند که برای مثال بتوانند در صورت برقرای تماس از سمت کودکان با خودشان، آن را تشخیص دهند.
استفاده از هوش مصنوعی در این قسمت از زمینه‌های تحقیقاتی به‌روز است. تعداد قابل توجهی تز ارشد در دانشکدۀ خودمان برای به‌کارگیری هوش مصنوعی در برنامه‌نویسی ربات‌ها تعریف شده است؛ برای مثال می‌توانم به تشخیص صحبت‌های یک فرد با توجه به لب‌خوانی و به کمک هوش مصنوعی اشاره کنم. درس رباتیک اجتماعی-شناختی که در مقطع ارشد ارائه می‌شود، محوریت هوش مصنوعی دارد. زمینه‌های مطالعاتی آینده نیز بیشتر بر روی هوش ربات‌ها و افزایش اثربخشی آن‌ها خواهد بود تا ساخت فیزیکی‌شان.
مرحلۀ سومِ کار، فاز بالینی پژوهش است که با هدف سنجش میزان اثربخشی فرایند و با کمک پرسش‌نامه‌هایی که روانشناسان تهیه می‌کنند، توسط خود ما دانشجویان انجام می‌شود. برای ورود به این فاز نیازمند آشنایی با ادبیات آن هستیم که به ادبیات روش تحقیق نزدیک است. این فاز، دو روش دارد. در روش single subject design ، اثربخشی یک فناوری را روی یک نفر مورد تحقیق و بررسی قرار می‌دهیم. از این فرد تست‌های متنوعی قبل و بعد از کار با فناوری به عمل می‌آید و این نتایج با هم مقایسه می‌شوند. پژوهش‌های انجام‌شده روی بیماران طیف اوتیسم، همگی single subject بودند. در حالت دیگری از مطالعات، از گروه کنترل و گروه مداخله‌ای استفاده می‌شود. بدین صورت که یک گروه با ربات و یک گروه بدون ربات مورد آزمایش قرار می‌گیرند و تفاوت عملکردها بررسی می‌شوند.
توضیح در مورد ربات‌های ساخته‌شده در این آزمایشگاه
اولین ربات، «آرش »۱ بود که در سال ۹۵ رونمایی شد. آرش ۱ به مرکز محک برده شد و در آنجا به کودکان، توضیحاتی دربارۀ بیماری‌شان ارائه داد و به کاهش اضطراب آن‌ها کمک کرد. آرش، این توانایی را داشت که به کمک سنسورهای خود، اسکن دوبعدی از محیط تهیه کند و راه برود. بخشی از چالش‌های این ربات و تحقیقاتی که روی آن صورت گرفت، مربوط به همین راه‌رفتن بود. آرش باید می‌توانست زمانی که آدم‌های دیگر در حال رفت‌وآمد هستند، مسیر خود را به‌طور پویا عوض کند یا مثلاً برخی ملاحظات اجتماعی را رعایت کند. مانند اینکه زمانی که دو نفر با هم در حال صحبت هستند، مسیر خود را از بین این دو نفر تعیین نکند و آداب اجتماعی را رعایت نماید.
پس از موفقیت ربات آرش ۱، با حمایتی که از جانب معاونت علمی دریافت کردیم، ربات «آرش ۲» ساخته شد. آرش ۲ تکمیل‌شدۀ آرش ۱ است که دو درجۀ آزادی به آن افزوده شده و رابط کاربری آن بهبود یافته است و توانایی حرکت، صحبت و دریافت حرکات محیطی را دارد. آرش ۲ متناسب با سنسورهایی که دارد سناریونویسی شده و می‌تواند سناریوهای خاصی را اجرا کند؛ برای مثال این ربات تا به حال در چند همایش به‌عنوان مجری حضور داشته و هم‌اکنون نیز مجری برنامۀ کهربا در شبکۀ آموزش است و شاغل محسوب می‌شود! بعد از آن یک ربات آرشِ مینی به نام «آرمین» ساخته شد که از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر بود و در آن به‌جای mini PC از Raspberry برای پردازندۀ مرکزی استفاده شد.
در ادامه، ربات «رسا ۱» ساخته شد که تنها شامل دو دست بود. این ربات، با ربات «رسا ۲» تکمیل شد و سایر المان‌ها نیز به آن افزوده شدند. رسا، رباتی برای یادگیری و آموزش زبان اشاره است که می‌تواند حرکات زبان اشاره را کاملاً با انگشت‌های دستش انجام دهد. بعد از ساخت و رونمایی این ربات، دکتر مقداری ایمیلی از آمریکا و از جانب یک دانشگاه با قدمت ۱۵۰ساله که مخصوص ناشنوایان بود، دریافت کردند. بعد از آن بود که ایشان با بررسی اینکه در خاورمیانه چنین دانشگاهی وجود ندارد، به این فکر افتادند تا اولین دانشگاه ناشنوایان را با نام «فرشتگان» طراحی و تاسیس کنند. به‌عبارتی می‌توانم بگویم که بانی تأسیس این دانشگاه، ربات رسا بود!
پنجمین ربات، ربات «روما» است. یک ربات مانکن که ابعادی انسانی دارد و با استفاده از موتورهای Dynamic cell، می‌تواند فرم‌های متفاوت به خود بگیرد و نحوۀ ایستادن لباس بر تن مانکن را در این حالت‌ها نشان دهد. متأسفانه علی‌رغم هزینۀ پایینی که ساخت این ربات در آن زمان داشت، تجاری‌سازی نشد.
پس از آن، ربات «تابان ۱» و «تابان ۲» برای اهداف آموزشی ساخته شدند. تابان ۲، شش درجۀ آزادی دارد و از بین این ربات‌ها تنها رباتی است که نمایشگر دارد. این نمایشگر روی سینۀ ربات جانمایی شده و در واقع مانند تختۀ سیاهی است که ربات می‌تواند برای مثال تمرین‌های آموزشی خود را روی آن نشان دهد. صورت تابان ۲ یک پروژکتور است و از مزایای آن مي‌توان به سه‌بعدی‌بودن صورتش اشاره کرد. می‌توانیم ماسک‌های مختلفی را روی صورت تابان قرار دهیم و شخصیت‌های متفاوتی مانند مینیون یک چشم، دو چشم و ... را برایش پدید آوریم. لازم به ذکر است که این ربات می‌تواند سه شخصیت دانش‌آموز، معلم و هم‌کلاسی را داشته باشد؛ به‌طوری که حتی کودک بتواند مطالبی را برای ربات توضیح و به او آموزش دهد.
ربات بعدی، ربات «مایا» است؛ رباتی فیلی شکل که برای کودکان سرطانی طراحی شده است. این ربات پنج درجۀ آزادی دارد و دارای دوربین، اسپیکر و میکروفون است. درون مایا یک mini PC قرار دارد، اما کنترل آن از بیرون صورت می‌پذیرد.
ربات آخر، ربات «آپو» است. آپو به شکل بطری آب طراحی شده و دو درجۀ آزادی دارد. برای پردازش از Raspberry کمک می‌گیرد و برای اهداف آموزشی، به‌خصوص آموزش نحوۀ صحیح مصرف آب و انرژی ساخته شده است. لازم به ذکر است که از بین این ربات‌ها، آرش و رسا قابلیت حرکت دارند و تابان، مایا، آرمین و آپو رومیزی هستند.
فعالیت‌های حال حاضر
در حال حاضر، آزمایشگاه در حال تقویت این ربات‌ها و همچنین توسعۀ فناوری واقعیت مجازی است. دلایل متعددی برای ضرورت توسعۀ فناوری‌های واقعیت مجازی یا اپ‌های اندرویدی در کنار ربات‌های اجتماعی وجود دارد که شاید بد نباشد به تعدادی از آن‌ها اشاره کنم.
یکی از این موارد، اقتصاد ربات‌هاست. بدیهی است که یک خانواده برای کودک خود یک ربات تهیه نخواهد کرد و در نهایت از هر ربات احتمالاً ۲۰ الی ۳۰ عدد در سراسر کشور در مراکز مربوطه عرضه می‌شوند. اما هزاران هزار اپ اندروید می‌توانند در دست کودکان باشند. از دیگر مزایای آن ارتباط مستمری است که برقرار می‌گردد. فرض کنید کودک یک بار ربات تابان را می‌بیند و پس از آن می‌تواند در خانه بارها با اپِ این ربات بازی کند و ارتباط او برای آموزش با کمک ربات قطع نمی‌گردد. همچنین با این کار، کودک انگیزه دارد که دوباره به مرکز مربوطه مراجعه و با خودِ ربات نیز ارتباط برقرار کند. مورد دیگر نیز نگهداری و تعمیر این ربات‌هاست. یک ربات ممکن است بیش از حد داغ شود، یکی از اجزایش به هر دلیل از کار بیفتد و نیاز به تعمیر داشته باشد؛ اما اپ‌های اندرویدی چنین مشکلی را ندارند.
البته این قابلیت تنها به بازی‌های مبتنی بر اندروید خلاصه نمی‌شود و ما می‌توانیم برای این ربات‌ها بازی در واقعیت مجازی نیز طراحی کنیم. همان تعاملاتی که ربات با کودک انجام می‌دهد، می‌تواند در واقعیت مجازی نیز شبیه‌سازی شده و داده‌های مورد نیاز از کودک جمع‌آوری گردد. البته ملاحظاتی نیز وجود دارد؛ برای مثال اینکه مدت تعامل در این حالت باید کوتاه‌تر باشد تا به کودک آسیبی وارد نشود. در حال حاضر برای پلتفرم واقعیت مجازی برای کودکان اوتیسم و فلج مغزی کارهایی در آزمایشگاه انجام شده و هم‌اکنون در حال کار برای کودکان نارساخوان هستیم.
پژوهش‌های ما تنها محدود به ربات‌ها نیستند؛ بلکه گجت‌های هوشمند نیز مورد مطالعه قرار می‌گیرند؛ برای مثال عصایی برای نابینایان که با داشتن سنسور ultra sonic بتواند فاصلۀ فرد تا مانع را به او گزارش دهد یا ماژولی داشته باشد که در هنگام نزدیک‌شدن به مانع، در عصا لرزش ایجاد کند یا بتواند موقعیت فرد را به آشنایان وی پیامک کند، یک نمونه از این گجت‌های هوشمند است.
همان‌طور که گفتم، رسالت آزمایشگاه و فناوری‌های هدف، فناوری‌هایی هستند که بتوانند نیازهای خاص افراد را برطرف کنند. این نیازها می‌توانند در رده‌های سنی مختلف کودکان و حتی بزرگسالان و سالمندان و در قالب‌های ربات، گجت هوشمند، اپ اندرویدی و واقعیت مجازی و ... باشند؛ البته در صورتی که امکان ساخت آن‌ها وجود داشته باشد.
