Inteligência Artificial Ajuda Microrobôs a Aprender a Nadar e Navegar

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Santa Clara, Instituto de Tecnologia de Nova Jersey e da Universidade de Hong Kong utilizou com sucesso o aprendizado de reforço profundo para ensinar microrobôs a nadar. O novo desenvolvimento é um grande passo adiante nas capacidades de micro-natação.

Os especialistas têm se concentrado consistentemente em criar micro-nadadores artificiais que possam navegar de forma semelhante à de micro-organismos naturais, como bactérias. Esses micro-nadadores poderiam ser utilizados para uma variedade de aplicações biomédicas no futuro, como entrega de medicamentos direcionada e microcirurgia. Mesmo com o foco no desenvolvimento, a maioria dos micro-nadadores artificiais atuais só pode realizar manobras simples com gaits de locomoção fixas.

O novo estudo foi publicado em Física de Comunicações.

Ensinar Micro-Nadadores com IA

No estudo, a equipe raciocinou que a IA poderia ensinar micro-nadadores a se adaptar a condições em mudança. Micro-nadadores, semelhantes aos humanos, requerem aprendizado de reforço e feedback para aprender a nadar, mas têm um conjunto único de desafios.

On Shun Pak é professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Santa Clara.

“Ser capaz de nadar na escala micro por si só é uma tarefa desafiadora”, disse On Shun Pak. “Quando você quer que um micro-nadador realize manobras mais sofisticadas, o design de suas gaits de locomoção pode se tornar rapidamente incontrolável.”

Combinando ANN e Aprendizado de Reforço

A equipe combinou redes neurais artificiais (ANN) e aprendizado de reforço para ensinar com sucesso um micro-nadador simples a nadar e navegar em direção a uma direção arbitrária. O micro-nadador recebe feedback sobre suas ações específicas, que ele então usa para aprender progressivamente a nadar com base em sua experiência interagindo com o ambiente.

Alan Tsang é professor assistente de engenharia mecânica da Universidade de Hong Kong.

“Semelhante a um humano aprendendo a nadar, o micro-nadador aprende a mover suas ‘partes do corpo’ – neste caso, três micropartículas e links extensíveis – para se autopropulsar e virar”, disse Tsang. “Ele o faz sem confiar no conhecimento humano, mas apenas em um algoritmo de aprendizado de máquina.”

O nadador com IA pode alternar entre diferentes gaits de locomoção de forma adaptativa, o que permite que ele navegue em direção a qualquer localização de destino por conta própria.

Os pesquisadores demonstraram o poder do micro-nadador permitindo que ele seguisse um caminho complexo sem ser explicitamente programado.

Yuan-nan Young é professor de ciências matemáticas do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey.

“Este é nosso primeiro passo em enfrentar o desafio de desenvolver micro-nadadores que possam se adaptar como células biológicas ao navegar em ambientes complexos de forma autônoma”, disse Yuan-nan Young.

Comportamentos adaptativos como esses são os que têm tanto potencial para aplicações biomédicas.

Arnold Mathijssen é um especialista em microrobôs e biofísica da Universidade da Pensilvânia. Ele não esteve envolvido na pesquisa.

“Este trabalho é um exemplo-chave de como o desenvolvimento rápido da inteligência artificial pode ser explorado para enfrentar desafios não resolvidos em problemas de locomoção em dinâmica de fluidos”, disse Mathijssen. “A integração entre aprendizado de máquina e micro-nadadores neste trabalho irá gerar mais conexões entre essas duas áreas de pesquisa altamente ativas.”