Tekoäly auttaa mikroroboteja oppimaan uimista ja navigointia

Santa Claran yliopiston, New Jersey Institute of Technologyn ja Hongkongin yliopiston tutkijaryhmä on onnistuneesti käyttänyt syvää vahvistusoppimista opettaakseen mikroroboteille uimista. Uusi kehitys on merkittävä askel eteenpäin mikrouimarin kyvyssä.

Asiantuntijat ovat jatkuvasti keskittyneet luomaan keinotekoisia mikrouimareita, jotka voivat navigoida samalla tavalla kuin luonnostaan uivat mikro-organismit, kuten bakteerit. Nämä mikrouimareita voidaan käyttää tulevaisuudessa monissa biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kohdennetussa lääkekuurissa ja mikrokirurgiassa. Vaikka kehityksessä on painotettu yksinkertaisia manööverejä kiinteillä liikuntatavoilla, useimmat nykyiset keinotekoiset mikrouimareita voivat suorittaa vain yksinkertaisia manööverejä.

Uusi tutkimus on julkaistu Communications Physics -julkaisussa.

Teaching Microswimmers With AI

Tutkimuksessa tiimi päätteli, että tekoäly voisi opettaa mikrouimareita sopeutumaan muuttuviin olosuhteisiin. Mikrouimareilla on samanlaiset haasteet kuin ihmisillä, ja he tarvitsevat vahvistusoppimista ja palautetta uimisen oppimiseen, mutta heillä on myös ainutlaatuinen joukko haasteita.

On Shun Pak on apulaisprofessori Santa Claran yliopistossa.

“Uida mikrotasolla itsessään on haasteellinen tehtävä”, sanoi On Shun Pak. “Kun haluat, että mikrouimari suorittaa monimutkaisempia manööverejä, sen liikuntatapojen suunnittelu voi nopeasti tulla hallitsemattomaksi.”

Combining ANNs and Reinforcement Learning

Tutkijaryhmä yhdisti keinotekoisen neuroverkon (ANN) ja vahvistusoppimisen opettaakseen yksinkertaisen mikrouimarin uimista ja navigointia satunnaisessa suunnassa. Mikrouimari saa palautetta omista toimistaan, joita se sitten käyttää jatkuvasti oppiakseen uimista kokemustensa perusteella.

Alan Tsang on apulaisprofessori Hongkongin yliopistossa.

“Samalla tavalla kuin ihminen oppii uimaan, mikrouimari oppii liikuttamaan ‘ruumistaan’ – tässä tapauksessa kolmea mikropartikkelia ja venyttäviä linkkejä – itseohjautuvasti ja kääntymään”, sanoi Tsang. “Se tekee niin ilman, että se riippuu ihmisen tietämyksestä, vaan ainoastaan koneoppimisalgoritmista.”

Tekoälykäyttöinen uimari voi vaihdella eri liikuntatavoilla sopeutuvasti, mikä mahdollistaa sen navigoinnin mihin tahansa kohdelokuvaan omin avuin.

Tutkijat osoittivat mikrouimarin voiman sallimalla sen seurata monimutkaista reittiä ilman, että se oli ohjelmoitu niihin.

Yuan-nan Young on professori matemaattisissa tieteissä New Jersey Institute of Technologyn yliopistossa.

“Tämä on ensimmäinen askel haasteen ratkaisemisessa kehittää mikrouimareita, jotka voivat sopeutua biologisesti samalla tavalla kuin luonnostaan uivat solut navigoimalla monimutkaisissa ympäristöissä itsenäisesti”, sanoi Yuan-nan Young.

Sopeutuvat käyttäytymiset, kuten nämä, lupaavat paljon biolääketieteellisissä sovelluksissa.

Arnold Mathijssen on asiantuntija mikroroboteista ja biofysiikasta Pennsylvanian yliopistossa. Hän ei ollut mukana tutkimuksessa.

“Tämä työ on avain esimerkki siitä, miten tekoälyn nopea kehitys voidaan hyödyntää ratkaisemaan ratkaisemattomia haasteita liikuntapulmien dynamiikassa”, sanoi Mathijssen. “Tämä työ yhdistää koneoppimisen ja mikrouimareiden, ja se luo yhteyksiä näiden kahden aktiivisen tutkimusalueen välille.”