Naukowcom z Uniwersytetu Santa Clara, Instytutu Technologii w New Jersey i Uniwersytetu w Hongkongu udało się z powodzeniem nauczyć mikroroboty pływania poprzez głębokie uczenie się ze wzmocnieniem, co oznacza znaczny skok w rozwoju zdolności mikropływania.
Istnieje ogromne zainteresowanie opracowaniem sztucznych mikropływaków, które mogą poruszać się po świecie podobnie do naturalnie występujących mikroorganizmów pływających, takich jak bakterie. Takie mikropływałki dają nadzieję na szeroki wachlarz przyszłych zastosowań biomedycznych, takich jak ukierunkowane dostarczanie leków i mikrochirurgia. Jednak większość sztucznych mikropływaków do tej pory może wykonywać stosunkowo proste manewry tylko ze stałymi ruchami lokomotorycznymi.
W badaniu opublikowanym w Communications Physics naukowcy doszli do wniosku, że mikropływacze mogą uczyć się i dostosowywać do zmieniających się warunków za pomocą sztucznej inteligencji. Podobnie jak ludzie uczący się pływać wymagają uczenia się przez wzmacnianie i sprzężenia zwrotnego, aby utrzymać się na powierzchni i poruszać się w różnych kierunkach w zmieniających się warunkach, tak samo potrzebują mikropływaków, choć z ich unikalnym zestawem wyzwań nałożonych przez fizykę w mikroskopijnym świecie.
„Umiejętność samodzielnego pływania w mikroskali jest trudnym zadaniem” – powiedział On Shun Pak, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Santa Clara. „Kiedy chcesz, aby mikropływacz wykonywał bardziej wyrafinowane manewry, konstrukcja jego chodów lokomotorycznych może szybko stać się niewykonalna”.
Łącząc sztuczne sieci neuronowe z uczeniem się przez wzmacnianie, zespół z powodzeniem nauczył prostego mikropływacza pływania i poruszania się w dowolnym kierunku. Kiedy pływak porusza się w określony sposób, otrzymuje informację zwrotną o tym, jak dobre jest dane działanie. Pływak stopniowo uczy się pływać w oparciu o swoje doświadczenia w interakcji z otaczającym środowiskiem.
„Podobnie jak człowiek uczący się pływać, mikropływak uczy się, jak poruszać „częściami ciała” – w tym przypadku trzema mikrocząstkami i rozciągliwymi ogniwami – w celu samodzielnego poruszania się i skręcania” – powiedział Alan Tsang, docent inżynierii mechanicznej. na Uniwersytecie w Hongkongu. „Robi to bez polegania na ludzkiej wiedzy, ale tylko na algorytmie uczenia maszynowego”.
Pływak napędzany sztuczną inteligencją jest w stanie samodzielnie przełączać się między różnymi chodami lokomotorycznymi, aby samodzielnie nawigować w dowolnym miejscu docelowym.
Jako demonstrację potężnych zdolności pływaka naukowcy wykazali, że może on podążać złożoną ścieżką bez wyraźnego zaprogramowania. Zademonstrowali również solidną wydajność pływaka w nawigacji w warunkach perturbacji wynikających z zewnętrznych przepływów płynów.
„To nasz pierwszy krok w sprostaniu wyzwaniu, jakim jest rozwój mikropływaków, które potrafią adaptować się jak komórki biologiczne w autonomicznym poruszaniu się po złożonych środowiskach” – powiedział Yuan-nan Young, profesor nauk matematycznych w New Jersey Institute of Technology.
Takie zachowania adaptacyjne mają kluczowe znaczenie dla przyszłych zastosowań biomedycznych sztucznych mikropływaków w złożonych ośrodkach z niekontrolowanymi i nieprzewidywalnymi czynnikami środowiskowymi.
„Ta praca jest kluczowym przykładem tego, jak szybki rozwój sztucznej inteligencji może zostać wykorzystany do radzenia sobie z nierozwiązanymi problemami lokomocji w dynamice płynów” – powiedział Arnold Mathijssen, ekspert ds. mikrorobotów i biofizyki z University of Pennsylvania, który nie był zaangażowany. w badaniach. „Integracja uczenia maszynowego i mikropływaków w tej pracy wywoła dalsze połączenia między tymi dwoma bardzo aktywnymi obszarami badawczymi”.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Instytut Technologii w New Jersey. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.