Real-time generation and adaptation of social companion robot behaviors

Social robots will be part of our future homes. They will assist us in everyday tasks, entertain us, and provide helpful advice. However, the technology still faces challenges that must be overcome to equip the machine with social competencies and make it a socially intelligent and accepted housemate. An essential skill of every social robot is verbal and non-verbal communication. In contrast to voice assistants, smartphones, and smart home technology, which are already part of many people's lives today, social robots have an embodiment that raises expectations towards the machine. Their anthropomorphic or zoomorphic appearance suggests they can communicate naturally with speech, gestures, or facial expressions and understand corresponding human behaviors. In addition, robots also need to consider individual users' preferences: everybody is shaped by their culture, social norms, and life experiences, resulting in different expectations towards communication with a robot. However, robots do not have human intuition - they must be equipped with the corresponding algorithmic solutions to these problems. This thesis investigates the use of reinforcement learning to adapt the robot's verbal and non-verbal communication to the user's needs and preferences. Such non-functional adaptation of the robot's behaviors primarily aims to improve the user experience and the robot's perceived social intelligence. The literature has not yet provided a holistic view of the overall challenge: real-time adaptation requires control over the robot's multimodal behavior generation, an understanding of human feedback, and an algorithmic basis for machine learning. Thus, this thesis develops a conceptual framework for designing real-time non-functional social robot behavior adaptation with reinforcement learning. It provides a higher-level view from the system designer's perspective and guidance from the start to the end. It illustrates the process of modeling, simulating, and evaluating such adaptation processes. Specifically, it guides the integration of human feedback and social signals to equip the machine with social awareness. The conceptual framework is put into practice for several use cases, resulting in technical proofs of concept and research prototypes. They are evaluated in the lab and in in-situ studies. These approaches address typical activities in domestic environments, focussing on the robot's expression of personality, persona, politeness, and humor. Within this scope, the robot adapts its spoken utterances, prosody, and animations based on human explicit or implicit feedback.Soziale Roboter werden Teil unseres zukünftigen Zuhauses sein. Sie werden uns bei alltäglichen Aufgaben unterstützen, uns unterhalten und uns mit hilfreichen Ratschlägen versorgen. Noch gibt es allerdings technische Herausforderungen, die zunächst überwunden werden müssen, um die Maschine mit sozialen Kompetenzen auszustatten und zu einem sozial intelligenten und akzeptierten Mitbewohner zu machen. Eine wesentliche Fähigkeit eines jeden sozialen Roboters ist die verbale und nonverbale Kommunikation. Im Gegensatz zu Sprachassistenten, Smartphones und Smart-Home-Technologien, die bereits heute Teil des Lebens vieler Menschen sind, haben soziale Roboter eine Verkörperung, die Erwartungen an die Maschine weckt. Ihr anthropomorphes oder zoomorphes Aussehen legt nahe, dass sie in der Lage sind, auf natürliche Weise mit Sprache, Gestik oder Mimik zu kommunizieren, aber auch entsprechende menschliche Kommunikation zu verstehen. Darüber hinaus müssen Roboter auch die individuellen Vorlieben der Benutzer berücksichtigen. So ist jeder Mensch von seiner Kultur, sozialen Normen und eigenen Lebenserfahrungen geprägt, was zu unterschiedlichen Erwartungen an die Kommunikation mit einem Roboter führt. Roboter haben jedoch keine menschliche Intuition - sie müssen mit entsprechenden Algorithmen für diese Probleme ausgestattet werden. In dieser Arbeit wird der Einsatz von bestärkendem Lernen untersucht, um die verbale und nonverbale Kommunikation des Roboters an die Bedürfnisse und Vorlieben des Benutzers anzupassen. Eine solche nicht-funktionale Anpassung des Roboterverhaltens zielt in erster Linie darauf ab, das Benutzererlebnis und die wahrgenommene soziale Intelligenz des Roboters zu verbessern. Die Literatur bietet bisher keine ganzheitliche Sicht auf diese Herausforderung: Echtzeitanpassung erfordert die Kontrolle über die multimodale Verhaltenserzeugung des Roboters, ein Verständnis des menschlichen Feedbacks und eine algorithmische Basis für maschinelles Lernen. Daher wird in dieser Arbeit ein konzeptioneller Rahmen für die Gestaltung von nicht-funktionaler Anpassung der Kommunikation sozialer Roboter mit bestärkendem Lernen entwickelt. Er bietet eine übergeordnete Sichtweise aus der Perspektive des Systemdesigners und eine Anleitung vom Anfang bis zum Ende. Er veranschaulicht den Prozess der Modellierung, Simulation und Evaluierung solcher Anpassungsprozesse. Insbesondere wird auf die Integration von menschlichem Feedback und sozialen Signalen eingegangen, um die Maschine mit sozialem Bewusstsein auszustatten. Der konzeptionelle Rahmen wird für mehrere Anwendungsfälle in die Praxis umgesetzt, was zu technischen Konzeptnachweisen und Forschungsprototypen führt, die in Labor- und In-situ-Studien evaluiert werden. Diese Ansätze befassen sich mit typischen Aktivitäten in häuslichen Umgebungen, wobei der Schwerpunkt auf dem Ausdruck der Persönlichkeit, dem Persona, der Höflichkeit und dem Humor des Roboters liegt. In diesem Rahmen passt der Roboter seine Sprache, Prosodie, und Animationen auf Basis expliziten oder impliziten menschlichen Feedbacks an

Engineering Adaptive Model-Driven User Interfaces for Enterprise Applications

Enterprise applications such as enterprise resource planning systems have numerous complex user interfaces (UIs). Usability problems plague these UIs because they are offered as a generic off-the-shelf solution to end-users with diverse needs in terms of their required features and layout preferences. Adaptive UIs can help in improving usability by tailoring the features and layout based on the context-of-use. The model-driven UI development approach offers the possibility of applying different types of adaptations on the various UI levels of abstraction. This approach forms the basis for many works researching the development of adaptive UIs. Yet, several gaps were identified in the state-of-the-art adaptive model-driven UI development systems. To fill these gaps, this thesis presents an approach that offers the following novel contributions: - The Cedar Architecture serves as a reference for developing adaptive model-driven enterprise application user interfaces. - Role-Based User Interface Simplification (RBUIS) is a mechanism for improving usability through adaptive behavior, by providing end-users with a minimal feature-set and an optimal layout based on the context-of-use. - Cedar Studio is an integrated development environment, which provides tool support for building adaptive model-driven enterprise application UIs using RBUIS based on the Cedar Architecture. The contributions were evaluated from the technical and human perspectives. Several metrics were established and applied to measure the technical characteristics of the proposed approach after integrating it into an open-source enterprise application. Additional insights about the approach were obtained through the opinions of industry experts and data from real-life projects. Usability studies showed the approach’s ability to significantly improve usability in terms of end-user efficiency, effectiveness and satisfaction

Investigating the Influence of Subgoals on Learning During Search

Search-as-learning research has emphasized the need to better support searchers when learning about complex topics online. Prior work in the learning sciences has shown that effective self-regulated learning (SRL), in which goals are a central function, is critical to improving learning outcomes. This dissertation investigates the influence of subgoals on learning during search. Two conditions were investigated: Subgoals and NoSubgoals. In the Subgoals condition, a tool called the Subgoal Manager was used to help searchers to develop specific subgoals associated with an overall learning-oriented search task. The influence of subgoals is explored along four dimensions: (1) learning outcomes; (2) searcher perceptions; (3) search behaviors; and (4) SRL processes. Learning outcomes were measured with two assessments, an established multiple-choice conceptual knowledge test and an open-ended summary of learning. Learning assessments were administered immediately after search and one week after search to capture learning retention. A qualitative analysis was conducted to identify the percentage of true statements on open-ended learning assessments. A think-aloud protocol was used to capture SRL processes. A second qualitative analysis was conducted to categorize SRL processes from think-aloud comments and behaviors during the search session. Findings from the dissertation suggest that subgoals improved learning during search. Additionally, it seems that subgoals helped participants to better retain what was learned one week later. Findings also suggest that SRL processes of participants in the Subgoals condition were more frequent and more diverse. SRL processes that were explicitly supported by the Subgoal Manager seemed to be more frequent in the Subgoals condition as well as SRL processes that were not explicitly supported.Doctor of Philosoph

An interdisciplinary concept for human-centered explainable artificial intelligence - Investigating the impact of explainable AI on end-users

Since the 1950s, Artificial Intelligence (AI) applications have captivated people. However, this fascination has always been accompanied by disillusionment about the limitations of this technology. Today, machine learning methods such as Deep Neural Networks (DNN) are successfully used in various tasks. However, these methods also have limitations: Their complexity makes their decisions no longer comprehensible to humans - they are black-boxes. The research branch of Explainable AI (XAI) has addressed this problem by investigating how to make AI decisions comprehensible. This desire is not new. In the 1970s, developers of intrinsic explainable AI approaches, so-called white-boxes (e.g., rule-based systems), were dealing with AI explanations. Nowadays, with the increased use of AI systems in all areas of life, the design of comprehensible systems has become increasingly important. Developing such systems is part of Human-Centred AI (HCAI) research, which integrates human needs and abilities in the design of AI interfaces. For this, an understanding is needed of how humans perceive XAI and how AI explanations influence the interaction between humans and AI. One of the open questions concerns the investigation of XAI for end-users, i.e., people who have no expertise in AI but interact with such systems or are impacted by the system's decisions. This dissertation investigates the impact of different levels of interactive XAI of white- and black-box AI systems on end-users perceptions. Based on an interdisciplinary concept presented in this work, it is examined how the content, type, and interface of explanations of DNN (black box) and rule-based systems (white box) are perceived by end-users. How XAI influences end-users mental models, trust, self-efficacy, cognitive workload, and emotional state regarding the AI system is the centre of the investigation. At the beginning of the dissertation, general concepts regarding AI, explanations, and psychological constructs of mental models, trust, self-efficacy, cognitive load, and emotions are introduced. Subsequently, related work regarding the design and investigation of XAI for users is presented. This serves as a basis for the concept of a Human-Centered Explainable AI (HC-XAI) presented in this dissertation, which combines an XAI design approach with user evaluations. The author pursues an interdisciplinary approach that integrates knowledge from the research areas of (X)AI, Human-Computer Interaction, and Psychology. Based on this interdisciplinary concept, a five-step approach is derived and applied to illustrative surveys and experiments in the empirical part of this dissertation. To illustrate the first two steps, a persona approach for HC-XAI is presented, and based on that, a template for designing personas is provided. To illustrate the usage of the template, three surveys are presented that ask end-users about their attitudes and expectations towards AI and XAI. The personas generated from the survey data indicate that end-users often lack knowledge of XAI and that their perception of it depends on demographic and personality-related characteristics. Steps three to five deal with the design of XAI for concrete applications. For this, different levels of interactive XAI are presented and investigated in experiments with end-users. For this purpose, two rule-based systems (i.e., white-box) and four systems based on DNN (i.e., black-box) are used. These are applied for three purposes: Cooperation & collaboration, education, and medical decision support. Six user studies were conducted for this purpose, which differed in the interactivity of the XAI system used. The results show that end-users trust and mental models of AI depend strongly on the context of use and the design of the explanation itself. For example, explanations that a virtual agent mediates are shown to promote trust. The content and type of explanations are also perceived differently by users. The studies also show that end-users in different application contexts of XAI feel the desire for interactive explanations. The dissertation concludes with a summary of the scientific contribution, points out limitations of the presented work, and gives an outlook on possible future research topics to integrate explanations into everyday AI systems and thus enable the comprehensible handling of AI for all people.Seit den 1950er Jahren haben Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (KI) die Menschen in ihren Bann gezogen. Diese Faszination wurde jedoch stets von Ernüchterung über die Grenzen dieser Technologie begleitet. Heute werden Methoden des maschinellen Lernens wie Deep Neural Networks (DNN) erfolgreich für verschiedene Aufgaben eingesetzt. Doch auch diese Methoden haben ihre Grenzen: Durch ihre Komplexität sind ihre Entscheidungen für den Menschen nicht mehr nachvollziehbar - sie sind Black-Boxes. Der Forschungszweig der Erklärbaren KI (engl. XAI) hat sich diesem Problem angenommen und untersucht, wie man KI-Entscheidungen nachvollziehbar machen kann. Dieser Wunsch ist nicht neu. In den 1970er Jahren beschäftigten sich die Entwickler von intrinsisch erklärbaren KI-Ansätzen, so genannten White-Boxes (z. B. regelbasierte Systeme), mit KI-Erklärungen. Heutzutage, mit dem zunehmenden Einsatz von KI-Systemen in allen Lebensbereichen, wird die Gestaltung nachvollziehbarer Systeme immer wichtiger. Die Entwicklung solcher Systeme ist Teil der Menschzentrierten KI (engl. HCAI) Forschung, die menschliche Bedürfnisse und Fähigkeiten in die Gestaltung von KI-Schnittstellen integriert. Dafür ist ein Verständnis darüber erforderlich, wie Menschen XAI wahrnehmen und wie KI-Erklärungen die Interaktion zwischen Mensch und KI beeinflussen. Eine der offenen Fragen betrifft die Untersuchung von XAI für Endnutzer, d.h. Menschen, die keine Expertise in KI haben, aber mit solchen Systemen interagieren oder von deren Entscheidungen betroffen sind. In dieser Dissertation wird untersucht, wie sich verschiedene Stufen interaktiver XAI von White- und Black-Box-KI-Systemen auf die Wahrnehmung der Endnutzer auswirken. Basierend auf einem interdisziplinären Konzept, das in dieser Arbeit vorgestellt wird, wird untersucht, wie der Inhalt, die Art und die Schnittstelle von Erklärungen von DNN (Black-Box) und regelbasierten Systemen (White-Box) von Endnutzern wahrgenommen werden. Wie XAI die mentalen Modelle, das Vertrauen, die Selbstwirksamkeit, die kognitive Belastung und den emotionalen Zustand der Endnutzer in Bezug auf das KI-System beeinflusst, steht im Mittelpunkt der Untersuchung. Zu Beginn der Arbeit werden allgemeine Konzepte zu KI, Erklärungen und psychologische Konstrukte von mentalen Modellen, Vertrauen, Selbstwirksamkeit, kognitiver Belastung und Emotionen vorgestellt. Anschließend werden verwandte Arbeiten bezüglich dem Design und der Untersuchung von XAI für Nutzer präsentiert. Diese dienen als Grundlage für das in dieser Dissertation vorgestellte Konzept einer Menschzentrierten Erklärbaren KI (engl. HC-XAI), das einen XAI-Designansatz mit Nutzerevaluationen kombiniert. Die Autorin verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, der Wissen aus den Forschungsbereichen (X)AI, Mensch-Computer-Interaktion und Psychologie integriert. Auf der Grundlage dieses interdisziplinären Konzepts wird ein fünfstufiger Ansatz abgeleitet und im empirischen Teil dieser Arbeit auf exemplarische Umfragen und Experimente und angewendet. Zur Veranschaulichung der ersten beiden Schritte wird ein Persona-Ansatz für HC-XAI vorgestellt und darauf aufbauend eine Vorlage für den Entwurf von Personas bereitgestellt. Um die Verwendung der Vorlage zu veranschaulichen, werden drei Umfragen präsentiert, in denen Endnutzer zu ihren Einstellungen und Erwartungen gegenüber KI und XAI befragt werden. Die aus den Umfragedaten generierten Personas zeigen, dass es den Endnutzern oft an Wissen über XAI mangelt und dass ihre Wahrnehmung dessen von demografischen und persönlichkeitsbezogenen Merkmalen abhängt. Die Schritte drei bis fünf befassen sich mit der Gestaltung von XAI für konkrete Anwendungen. Hierzu werden verschiedene Stufen interaktiver XAI vorgestellt und in Experimenten mit Endanwendern untersucht. Zu diesem Zweck werden zwei regelbasierte Systeme (White-Box) und vier auf DNN basierende Systeme (Black-Box) verwendet. Diese werden für drei Zwecke eingesetzt: Kooperation & Kollaboration, Bildung und medizinische Entscheidungsunterstützung. Hierzu wurden sechs Nutzerstudien durchgeführt, die sich in der Interaktivität des verwendeten XAI-Systems unterschieden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Vertrauen und die mentalen Modelle der Endnutzer in KI stark vom Nutzungskontext und der Gestaltung der Erklärung selbst abhängen. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass Erklärungen, die von einem virtuellen Agenten vermittelt werden, das Vertrauen fördern. Auch der Inhalt und die Art der Erklärungen werden von den Nutzern unterschiedlich wahrgenommen. Die Studien zeigen zudem, dass Endnutzer in unterschiedlichen Anwendungskontexten von XAI den Wunsch nach interaktiven Erklärungen verspüren. Die Dissertation schließt mit einer Zusammenfassung des wissenschaftlichen Beitrags, weist auf Grenzen der vorgestellten Arbeit hin und gibt einen Ausblick auf mögliche zukünftige Forschungsthemen, um Erklärungen in alltägliche KI-Systeme zu integrieren und damit den verständlichen Umgang mit KI für alle Menschen zu ermöglichen

Models and Algorithms for Understanding and Supporting Learning Goals in Information Retrieval

While search technology is widely used for learning-oriented information needs, the results provided by popular services such as Web search engines are optimized primarily for generic relevance, not effective learning outcomes. As a result, the typical information trail that a user must follow while searching to achieve a learning goal may be an inefficient one, possibly involving unnecessarily difficult content, or material that is irrelevant to actual learning progress relative to a user's existing knowledge. My work addresses these problems through multiple studies where various models and frameworks are developed and tested to support particular dimensions of search as learning. Empirical analysis of these studies through user studies demonstrate promising results and provide a solid foundation for further work. The earliest work we focused on centered on developing a framework and algorithms to support vocabulary learning objectives in a Web document context. The proposed framework incorporates user information, topic information and effort constraints to provide a desirable combination of personalized and efficient (by word length) learning experience. Our user studies demonstrate the effectiveness of our framework against a strong commercial baseline's (Google search) results in both short- and long-term assessment. While topic-specific content features (such as frequency of subtopic occurrences) naturally play a role in influencing learning outcomes, stylistic and structural features of the documents themselves may also play a role. Using such features we construct robust regression models that show strong predictive strength for multiple measures of learning outcomes. We also show early evidence that regression models trained on one dataset of search as learning can show strong test-set predictions on an independent dataset of search as learning, suggesting a certain degree of generalizability of stylistic content features. The models developed in my work are designed to be as generalizable, scalable and efficient as possible to make it easier for practitioners in the field to improve how people use search engines for learning. Finally, we investigate how gaze-tracking and automatic question generation could be used to scale a form of active learning to arbitrary text material. Our results show promising potential for incorporating interactive learning experiences in arbitrary text documents on the Web. A major theme in these studies centers on understanding and improving how people learn when using Web search engines. We also put specific emphasis on long-term learning outcomes and demonstrate that our models and frameworks actually yield sustainable knowledge gains, both for passive and interactive learning. Taken together, these research studies provide a solid foundation for multiple promising directions in exploring search as learning.PHDInformationUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/155065/1/rmsyed_1.pd

Programming Languages and Systems

This open access book constitutes the proceedings of the 29th European Symposium on Programming, ESOP 2020, which was planned to take place in Dublin, Ireland, in April 2020, as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2020. The actual ETAPS 2020 meeting was postponed due to the Corona pandemic. The papers deal with fundamental issues in the specification, design, analysis, and implementation of programming languages and systems