Reactions to and interactions with a non-verbal robot A case study on people’s interpretation of and perception of interacting with a non-humanoid and non-verbal robot

Abstract

Humanoid social robots have been researched and deployed in fields such as healthcare, shopping, and telecommunication. These are all meant to mimic human behaviour, speech and interaction type to some degree in order to better fit in the role they are taking on. Other successful examples of social robots have been constructed by copying animal behaviour and selected social cues instead.The levels of comfort, trust, positive perception, and reliability a robot emits to a person is correlated with its appearance and actions. Depending on the human's experience, past, and knowledge, as well as biological classification, the levels are furthermore impacted independently of the robot.This has lead to many taken-for-granted studies on human-like HRI, which are hard to replicate at a high fidelity and findings are not always reproducible. Moreover, non-humanoid robots have more options for innovation and robot-specific communication and interaction features design, as they are freed of the constraint requiring them to copy existing living beings. Additionally, considering non-verbal communication, they are forced to rely on social cues depending on motor skills, poses and gaze or light and sound signaling to make themselves perceivable, legible, predictable and socially acceptable. Otherwise, having this much freedom of interpretation, replicating studies involving non-humanoid robots in non-verbal constrained scenarios proves to be very delicate. The motivation and scope of this master thesis is therefore to address, evaluate, and expand upon the two main topics presented so far, namely the non-verbal communication and interaction between humans and non-humanoid robots while considering the limitations of past studies and the phenomena of the replication crisis in this field of study.The main work of this research consists of replicating a previous laboratory study and expanding upon its design and findings. In the original experiment, young adults were asked to interact with non-humanoid robots, called Sphero, which, having only lights, sounds and rotatory movements at their disposal, had to make themselves understood to the participants when asking them to follow it to a reward. Furthermore, this scenario is expanded upon by including also older adults in the experiment and comparing the results to reduce bias. Moreover, to explore a broader range of human-robot interaction (HRI) with a non-verbal non-humanoid robot, a second scenario was also integrated, where the reactions of participants to the robot suddenly bursting out in a dance to music are sought after.The key findings of this thesis are of a dual nature.On the one hand, it shows that obtaining the close to the same results with both the young and the old participants individually and combined, during the first scenario run-through of the original study, was impossible, considering the limitations of the materials, environment and personas.Thus, the replication crisis is supported as an existing and occurring phenomena in HRI.On the other hand, the results from the added second scenario incorporating dancing further shed light on the attitude of participants towards the robot as a companion versus a care-taker, prove the effect of novelty and its influence on the different age groups, as well as the emotional response and implication, varying from one generation to another, beyond differences between individuals themselves. Moreover, established and innovative ways of non-verbal communication attributed to a non-humanoid robot were researched, tested and offer a basis for future research considering non-humanoid robots at large.This thesis is relevant as it investigated and innovated the area of non-verbal communication, considering non-humanoid robots with reduced and constricted mechanical and functional capabilities. Furthermore, it took one step into the direction of assessing, processing and solving the replication crisis in HRI, by exploring its occurrence in a consecrated study example. Lastly, but not least, it helped to better understand the human interlocutor in interaction contexts involving non-humanoid social robots, validating learnings on the design of robots and their behaviour, as well as on the common misconceptions and staple statements regarding individuals classified by age, gender, and experience.

Humanoide soziale Roboter werden in Bereichen wie Gesundheitswesen, Einkaufen und Telekommunikation erforscht und eingesetzt. Sie sollen das menschliche Verhalten, die Sprache und die Art der Interaktion bis zu einem gewissen Grad nachahmen, um besser in die Rolle zu passen, für die sie gedacht sind. Andere erfolgreiche Beispiele sozialer Roboter wurden gestaltet, indem das Verhalten von Tieren und ausgewählter sozialer Hinweise imitiert wurde.Das Maß an Komfort, Vertrauen, positiver Wahrnehmung und Zuverlässigkeit, das ein Roboter auf eine Person ausstrahlt, hängt mit dessen Aussehen und Interaktionsverhalten zusammen. Abhängig von der Erfahrung, der Vergangenheit und dem Wissen des Menschen sowie der biologischen Klassifizierung werden diese Werte auch unabhängig vom Roboter beeinflusst.Dies hat zu vielen Studien über menschenähnliche Mensch-Roboter-Interaktion (MRI) geführt, die nur schwer mit hoher Wiedergabetreue durchgeführt werden können und deren Ergebnisse nicht immer reproduzierbar sind. Nicht-humanoide Roboter bieten mehr Möglichkeiten für Innovationen und roboterspezifische Kommunikations- und Interaktionsmerkmale, da sie nicht die Verhaltensmuster von Lebewesen imitieren. Was die nonverbale Kommunikation anbelangt, verwenden diese soziale Hinweisreize, die vom motorischen Möglichkeitsraum, Posen und Blickbewegungen oder Licht- und Tonsignalen abhängen, um wahrnehmbar, lesbar, vorhersehbar und sozial akzeptabel zu sein. Bei so viel Interpretationsspielraum erweist sich die Replikation von Studien mit nichthumanoiden Robotern in nonverbalen Interaktionsszenarien jedoch ebenfalls als herausfordernd. Motivation und Ziel dieser Diplomarbeit ist es daher, die beiden bisher vorgestellten Hauptthemen, nämlich die nonverbale Kommunikation und Interaktion zwischen Menschen und nicht-humanoiden Robotern, unter Berücksichtigung der Grenzen bisheriger Studien und des Phänomens der Replikationskrise in diesem Forschungsbereich zu behandeln, zu bewerten und zu erweitern.Die Hauptanliegen dieser Forschungsarbeit besteht darin, eine frühere Laborstudie zu wiederholen und deren Design und Ergebnisse zu erweitern. Im ursprünglichen Experiment wurden junge Erwachsene gebeten, mit nicht-humanoiden Robotern, genannt Sphero, zu interagieren, die nur über Lichter, Geräusche und Drehbewegungen verfügen und sich den Teilnehmer*innen verständlich machen mussten, wenn sie diese aufforderten, ihnen zu einer Belohnung zu folgen. Dieses ursprüngliche Szenario wird erweitert, indem auch ältere Erwachsene in das Experiment einbezogen und die Ergebnisse verglichen werden, um Verzerrungen zu verringern. Um ein breiteres Spektrum der Mensch-Roboter-Interaktion mit einem nonverbalen nicht-humanoiden Roboter zu erforschen, wurde außerdem ein zweites Szenario integriert, in dem die Reaktionen der Teilnehmer*innen auf einen plötzlich zu Musik tanzenden Roboter untersucht werden. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind zweifacher Natur. Einerseits zeigt sie, dass es unmöglich war, während des ersten Szenarios deckungsgleiche Ergebnisse zwischen den jungen und älteren Teilnehmer*innen zu erzielen, wenn man die Einschränkungen durch das Ursprungsmaterial, die Umgebung und der Teilnehmer*innen berücksichtigt, was die Replikationskrise als ein existierendes und relevantes Phänomen in der MRI bestätigt.Auf der anderen Seite beleuchten die Ergebnisse des zusätzlichen zweiten Szenarios, in dem der Roboter tanzt, die Einstellung der Teilnehmer*innen gegenüber dem Roboter als companion (Begleiter) und nicht als care-giver (Betreuer) und zeigen die Auswirkungen der Neuartigkeit und ihren Einfluss auf die verschiedenen Altersgruppen sowie die emotionale Reaktion, die zwischen den Generationen variieren; abgesehen von den Unterschieden zwischen den Individuen selbst. Darüber hinaus wurden etablierte und innovative Wege der nonverbalen Kommunikation, die einem nicht-humanoiden Roboter zugeschrieben werden, erforscht und getestet und bieten eine Grundlage für zukünftige Forschungen zu nicht-humanoiden Roboter im Allgemeinen.Diese Arbeit ist insofern relevant, als sie den Bereich der nonverbalen Kommunikation unter Berücksichtigung von nicht-humanoiden Robotern mit eingeschränkten mechanischen und funktionalen Fähigkeiten untersucht und erweitert. Darüber hinaus hat sie einen Schritt in Richtung der Bewertung, Bearbeitung und Lösung der Replikationskrise in der MRI getan, indem sie ihr Auftreten in einem Studienbeispiel untersucht hat. Nicht zuletzt trägt die Arbeit dazu bei, den menschlichen Interaktionspartner im Austausch mit nicht-humanoiden sozialen Robotern besser zu verstehen, indem sie Erkenntnisse über das Design und Verhalten solcher Roboter generierte, sowie gängige Missverständnisse und unpräzise Aussagen über Personen, die nach Alter, Geschlecht und Erfahrung klassifiziert werden, reflektierte.