La IA ayuda a los microrobots a aprender a nadar y navegar

Un equipo de investigadores de la Universidad de Santa Clara, el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey y la Universidad de Hong Kong han utilizado con éxito el aprendizaje de refuerzo profundo para enseñar a los microrobots a nadar. Este nuevo desarrollo es un gran paso adelante en las capacidades de micro-natación.

Los expertos han estado enfocados consistentemente en crear micro-nadadores artificiales que puedan navegar de manera similar a los microorganismos naturales que nadan, como las bacterias. Estos micro-nadadores podrían ser utilizados para una variedad de aplicaciones biomédicas en el futuro, como la entrega de medicamentos dirigida y la microcirugía. A pesar de la atención en el desarrollo, la mayoría de los micro-nadadores artificiales de hoy en día solo pueden realizar maniobras simples con gaits de locomoción fijos.

El nuevo estudio se publicó en Física de Comunicaciones.

Enseñando a los micro-nadadores con IA

En el estudio, el equipo razonó que la IA podría enseñar a los micro-nadadores a adaptarse a condiciones cambiantes. Los micro-nadadores, al igual que los humanos, requieren aprendizaje de refuerzo y retroalimentación para aprender a nadar, pero tienen un conjunto único de desafíos.

On Shun Pak es profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Santa Clara.

“Ser capaz de nadar a escala micro por sí solo es una tarea desafiante”, dijo On Shun Pak. “Cuando deseas que un micro-nadador realice maniobras más sofisticadas, el diseño de sus gaits de locomoción puede volverse rápidamente inmanejable”.

Combinando ANNs y aprendizaje de refuerzo

El equipo combinó redes neuronales artificiales (ANNs) y aprendizaje de refuerzo para enseñar con éxito a un micro-nadador simple a nadar y navegar hacia una dirección arbitraria. El micro-nadador recibe retroalimentación sobre sus acciones específicas, que luego utiliza para aprender progresivamente a nadar en función de su experiencia interactuando con el entorno.

Alan Tsang es profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Hong Kong.

“Al igual que un humano que aprende a nadar, el micro-nadador aprende a mover sus ‘partes del cuerpo’ – en este caso, tres micropartículas y enlaces extensibles – para autopropulsarse y girar”, dijo Tsang. “Lo hace sin confiar en el conocimiento humano, sino solo en un algoritmo de aprendizaje automático”.

El nadador impulsado por IA puede cambiar entre diferentes gaits de locomoción de manera adaptativa, lo que le permite navegar hacia cualquier ubicación objetivo por sí solo.

Los investigadores demostraron el poder del micro-nadador permitiéndole seguir un camino complejo sin ser programado explícitamente.

Yuan-nan Young es profesor de ciencias matemáticas en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey.

“Este es nuestro primer paso para abordar el desafío de desarrollar micro-nadadores que puedan adaptarse como las células biológicas al navegar en entornos complejos de manera autónoma”, dijo Yuan-nan Young.

Los comportamientos adaptativos como estos son lo que promete tanto para las aplicaciones biomédicas.

Arnold Mathijssen es un experto en microrobots y biofísica en la Universidad de Pensilvania. No participó en la investigación.

“Este trabajo es un ejemplo clave de cómo el desarrollo rápido de la inteligencia artificial puede ser explotado para abordar desafíos no resueltos en problemas de locomoción en dinámica de fluidos”, dijo Mathijssen. “La integración entre el aprendizaje automático y los micro-nadadores en este trabajo generará más conexiones entre estas dos áreas de investigación muy activas”.