AI Membantu Mikrorobot Belajar Berenang dan Menavigasi

Tim peneliti dari Santa Clara University, New Jersey Institute of Technology, dan University of Hong Kong telah berhasil menggunakan deep reinforcement learning untuk mengajar mikrorobot cara berenang. Pengembangan baru ini merupakan langkah besar dalam kemampuan microswimming.

Para ahli telah secara konsisten fokus pada menciptakan mikroswimmers buatan yang dapat menavigasi seperti mikroorganisme alami, seperti bakteri. Mikroswimmers ini dapat digunakan untuk berbagai aplikasi biomedis di masa depan, seperti pengiriman obat yang ditargetkan dan mikrobedah. Bahkan dengan fokus pada pengembangan, sebagian besar mikroswimmers buatan saat ini hanya dapat melakukan manuver sederhana dengan gaya lokomotif yang tetap.

Studi baru ini diterbitkan di Communications Physics.

Mengajar Mikroswimmers Dengan AI

Dalam studi ini, tim menyimpulkan bahwa AI dapat mengajar mikroswimmers untuk beradaptasi dengan kondisi yang berubah. Mikroswimmers, seperti manusia, memerlukan reinforcement learning dan umpan balik untuk belajar berenang, tetapi mereka memiliki tantangan unik.

On Shun Pak adalah associate professor of mechanical engineering di Santa Clara University.

“Berenang di skala mikro itu sendiri adalah tugas yang menantang,” kata On Shun Pak. “Ketika Anda ingin mikroswimmer melakukan manuver yang lebih rumit, desain gaya lokomotif mereka dapat dengan cepat menjadi tidak dapat diatasi.”

Menggabungkan ANNs dan Reinforcement Learning

Tim menggabungkan artificial neural networks (ANNs) dan reinforcement learning untuk mengajar mikroswimmer sederhana cara berenang dan menavigasi ke arah yang sewenang-wenang. Mikroswimmer menerima umpan balik tentang tindakan spesifiknya, yang kemudian digunakan untuk secara progresif belajar cara berenang berdasarkan pengalaman interaksinya dengan lingkungan.

Alan Tsang adalah assistant professor of mechanical engineering di University of Hong Kong.

“Mirip dengan manusia yang belajar berenang, mikroswimmer belajar cara menggerakkan ‘bagian tubuh’ – dalam hal ini tiga mikropartikel dan tautan yang dapat diperpanjang – untuk menggerakkan diri dan berbelok,” kata Tsang. “Hal ini dilakukan tanpa bergantung pada pengetahuan manusia, tetapi hanya pada algoritma machine learning.”

Mikroswimmer yang ditenagai AI dapat beralih antara gaya lokomotif yang berbeda secara adaptif, yang memungkinkannya menavigasi ke lokasi target mana pun secara mandiri.

Para peneliti menunjukkan kekuatan mikroswimmer dengan memungkinkannya mengikuti jalur yang kompleks tanpa perlu diprogram secara eksplisit.

Yuan-nan Young adalah professor of mathematical sciences di New Jersey Institute of Technology.

“Ini adalah langkah pertama kita dalam mengatasi tantangan pengembangan mikroswimmers yang dapat beradaptasi seperti sel biologis dalam menavigasi lingkungan yang kompleks secara mandiri,” kata Yuan-nan Young.

Perilaku adaptif seperti ini yang menjanjikan banyak untuk aplikasi biomedis.

Arnold Mathijssen adalah ahli mikrorobot dan biofisika di University of Pennsylvania. Ia tidak terlibat dalam penelitian ini.

“Karya ini adalah contoh kunci tentang bagaimana perkembangan pesat kecerdasan buatan dapat dimanfaatkan untuk mengatasi tantangan yang belum terpecahkan dalam masalah lokomosi dalam dinamika fluida,” kata Mathijssen. “Integrasi antara machine learning dan mikroswimmers dalam karya ini akan memicu koneksi lebih lanjut antara dua bidang penelitian yang sangat aktif ini.”