Human-robot interaction: the role of humanoid robots in learning process and cognitive tasks

Abstract

The use of socially assistive robots (SAR) is constantly increasing and diversifying in applications. One of the most widespread uses is in the field of education, where leveraging specific characteristics such as speech ability and displaying social behavior allows SAR to act as educators or even teaching assistants across all educational levels from kindergarten to university. The international literature presents conflicting research results regarding their performance. Additionally, although many of their characteristics that make them successful in delivering educational material are highlighted, we still do not know which ones, when demonstrated by SAR during an educational activity, enhance learning and increase learners' enjoyment.This doctoral dissertation was conducted to investigate the characteristics of humanoid robots that contribute to knowledge acquisition, enjoyable engagement, and the desire to continue interacting with them in individuals attending a lecture with one or more social assistive robots as instructors. This investigation was carried out by conducting six experiments involving a total of 862 adults and 36 children interacting with the Aldebaran Nao robot in various educational activities. Initially, the robot in the role of instructor delivered lessons demonstrating different personality traits, gestures, and speech, and after each lesson, participants' knowledge acquisition and enjoyment were measured. Once a preferred pattern of personality and gestures was identified through these experiments, subsequent experiments had participants observe different lesson deliveries with the robot acting as the instructor or co-instructor, again measuring knowledge acquisition, enjoyment, and the impact of surprise, their desire to collaborate with the robot again in the future, and their preferred communication channels (speech or chat) when the lecture was conducted online.Through quantitative and qualitative analysis of the results, interesting elements were identified for continuing research on human-robot interaction in educational activities. Specifically, participants preferred lectures from robots displaying cheerful personality traits. Furthermore, the impact of surprise experienced by participants when engaging in an educational activity with an educational robot may simultaneously have negative and positive aspects. When participants are not familiar with robots at all, they focus on appearance and remember fewer details from their teaching, whereas familiarity increases the amount of information they retain from the teaching. Finally, data are presented on how familiar participants need to be with robots and the experimental activity to express a reliable opinion about their preferences, the characteristics of a co-teaching lesson between a human and a robot instructor to increase engagement, knowledge acquisition, and enjoyment of the lesson, and how the Nao robot can be useful and effective in teaching critical and vital subjects at young ages such as traffic and sexual education in kindergarten and elementary school, respectively.

Η χρήση των ρομπότ κοινωνικής αρωγής (ΡΚΑ) αυξάνεται διαρκώς και ποικίλει σε εφαρμογές. Μια από τις πιο διαδεδομένες χρήσεις είναι στον τομέα της εκπαίδευσης όπου αξιοποιώντας συγκεκριμένα τους χαρακτηριστικά όπως είναι η ικανότητα να εκφέρουν λόγο, και να επιδείξουν κοινωνική συμπεριφορά καθιστά τα ΡΚΑ να δρουν ως εκπαιδευτικοί ή ακόμα και βοηθοί εκπαιδευτικών σε όλες τις βαθμίδες από το νηπιαγωγείο μέχρι το πανεπιστήμιο. Στη διεθνή βιβλιογραφία παρουσιάζονται αντικρουόμενα αποτελέσματα ερευνών σχετικά με την απόδοση τους. Παράλληλα παρότι παρουσιάζονται αρκετά από τα χαρακτηριστικά τους που τα καθιστούν επιτυχή στην παράδοση εκπαιδευτικού υλικού, ακόμα δε γνωρίζουμε ποια είναι εκείνα που όταν επιδεικνύονται από τα ΡΚΑ κατά τη διάρκεια μιας παιδαγωγικής δράσης ενισχύουν τη μάθηση και αυξάνουν την ευχαρίστηση των μαθητευόμενων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε με σκοπό να ερευνηθούν τα χαρακτηριστικά των ανθρωποειδών ρομπότ που συμβάλλουν στην απόκτηση γνώσεων, την ευχάριστη παρακολούθηση και την επιθυμία συνέχισης της συναναστροφής με αυτά σε άτομα που παρακολουθούν μια διάλεξη με διδάσκοντα ένα ή περισσότερα ρομπότ κοινωνικής αρωγής. Η διερεύνηση των ερωτημάτων αυτών πραγματοποιήθηκε μέσω της εκπόνησης έξι πειραμάτων στα οποία σε σύνολο συμμετείχαν 862 ενήλικες και 36 παιδιά που αλληλεπίδρασαν με το ρομπότ Aldebaran Nao στα πλαίσια διαφορετικών εκπαιδευτικών δράσεων. Αρχικά, το ρομπότ σε ρόλο διδάσκοντα παρέδωσε μαθήματα επιδεικνύοντας διαφορετικά χαρακτηριστικά προσωπικότητας, κινησιολογίας και ομιλίας και μετά από κάθε μάθημα μετριόταν η απόκτηση γνώσεων και η ευχαρίστηση που ένιωσαν κατά τη διάρκεια αυτού οι συμμετέχοντες. Αφότου μέσω των πειραμάτων αυτών βρέθηκε ένα μοτίβο προσωπικότητας και κινήσεων που να προτιμάται από τους συμμετέχοντες, στα επόμενα πειράματα οι συμμετέχοντες παρακολούθησαν διαφορετικές παραδόσεις μαθημάτων με το ρομπότ σε ρόλο διδάσκοντα ή συν-διδάσκοντας, μετρώντας ξανά την απόκτηση γνώσεων, την ευχαρίστηση αλλά και την επίδραση της έκπληξης, την επιθυμία τους να συνεργαστούν ξανά με το ρομπότ στο μέλλον αλλά και ποια κανάλια επικοινωνίας προτιμούν (ομιλία ή chat) όταν η διάλεξη γίνεται διαδικτυακά. Μέσω της ποσοτικής και ποιοτικής ανάλυσης των αποτελεσμάτων, καταδείχθηκαν ενδιαφέροντα στοιχεία για τη συνέχιση της έρευνας στην αλληλεπίδραση ανθρώπου- ανθρωποειδών ρομπότ σε εκπαιδευτικές δράσεις. Ενδεικτικά, οι συμμετέχοντες προτίμησαν να παρακολουθούν διαλέξεις από ρομπότ που επιδεικνύουν χαρούμενα χαρακτηριστικά προσωπικότητας. Ακόμα, η επίδραση της έκπληξης που υφίστανται οι συμμετέχοντες όταν συμμετέχουν σε μια εκπαιδευτική δράση με ρομπότ εκπαιδευτικό μπορεί να έχει ταυτόχρονα αρνητικά και θετικά στοιχεία. Όταν οι συμμετέχοντες δεν είναι καθόλου εξοικειωμένοι με ρομπότ τότε εστιάζουν στην εμφάνιση του και θυμούνται λιγότερες πληροφορίες από τη διδασκαλίας τους, ενώ όταν εξοικειώνονται με αυτά, το μέγεθος των πληροφοριών που συγκρατούν από τη διδασκαλία τους αυξάνεται. Τέλος, παρουσιάζονται στοιχεία για το πόσο εξοικειωμένοι χρειάζεται να είναι οι συμμετέχοντες σε ένα πείραμα με τα ρομπότ και τη δράση του πειράματος για να μπορούν να εκφράσουν αξιόπιστη άποψη σχετικά με τις προτιμήσεις τους γύρω από αυτά, τα χαρακτηριστικά ενός μαθήματος συνδιδασκαλίας ανάμεσα σε έναν άνθρωπο και ένα ρομπότ διδάσκοντα ώστε να αυξάνεται η συμμετοχή, η απόκτηση πληροφοριών και η ευχαρίστηση από το μάθημα αλλά και πως το ρομπότ Ναο μπορεί να είναι χρήσιμο και αποτελεσματικό στη διδασκαλία καίριων και ζωτικών μαθημάτων σε μικρές ηλικίες όπως είναι η κυκλοφοριακή και η σεξουαλική αγωγή στο νηπιαγωγείο και το δημοτικό αντίστοιχα.