IA ajuda microrrobôs a aprender a nadar e navegar

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Santa Clara, do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey e da Universidade de Hong Kong usou com sucesso o aprendizado por reforço profundo para ensinar microrobôs a nadar. O novo desenvolvimento é um grande avanço nas capacidades de micronatação.

Os especialistas têm se concentrado consistentemente na criação de micronadadores artificiais que podem navegar de maneira semelhante aos microrganismos nadadores naturais, como as bactérias. Esses micronadadores podem ser usados ​​para uma variedade de aplicações biomédicas no futuro, como administração de medicamentos direcionados e microcirurgia. Mesmo com o foco no desenvolvimento, a maioria dos micronadadores artificiais de hoje só consegue realizar manobras simples com marchas locomotoras fixas.

O novo estudo foi publicado em Física das Comunicações.

Ensinar micronadadores com IA

No estudo, a equipe concluiu que a IA poderia ensinar os micronadadores a se adaptarem às mudanças nas condições. Os micronadadores, assim como os humanos, requerem aprendizado por reforço e feedback para aprender a nadar, mas eles têm um conjunto único de desafios.

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

“Ser capaz de nadar em microescala por si só é uma tarefa desafiadora”, disse On Shun Pak. “Quando você deseja que um micronadador realize manobras mais sofisticadas, o design de seus andamentos locomotores pode rapidamente se tornar intratável.”

Combinando RNAs e Aprendizado por Reforço

A equipe combinou redes neurais artificiais (RNAs) e aprendizado por reforço para ensinar com sucesso um simples micronadador a nadar e navegar em uma direção arbitrária. O micronadador recebe feedback sobre suas ações específicas, que então utiliza para aprender progressivamente a nadar com base em sua experiência de interação com o ambiente.

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

“Semelhante a um ser humano aprendendo a nadar, o micronadador aprende como mover suas 'partes do corpo' - neste caso, três micropartículas e elos extensíveis - para se autopropulsionar e girar”, disse Tsang. “Isso é feito sem depender do conhecimento humano, mas apenas de um algoritmo de aprendizado de máquina.”

O nadador alimentado por IA pode alternar entre diferentes marchas locomotoras de forma adaptativa, o que permite que ele navegue em direção a qualquer local de destino por conta própria.

Os pesquisadores demonstraram o poder do micronadador ao permitir que ele seguisse um caminho complexo sem ser explicitamente programado.

Yuan-nan Young é professor de ciências matemáticas no New Jersey Institute of Technology.

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

Comportamentos adaptativos como esses são tão promissores para aplicações biomédicas.

Arnold Mathijssen é especialista em microrrobôs e biofísica na Universidade da Pensilvânia. Ele não participou da pesquisa.

“Este trabalho é um exemplo importante de como o rápido desenvolvimento 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 micronadadores neste trabalho desencadeará novas conexões entre essas duas áreas de pesquisa altamente ativas”.