Inteligența artificială ajută microroboții să învețe să înoate și să navigheze

O echipă de cercetători de la Universitatea Santa Clara, Institutul de Tehnologie din New Jersey și Universitatea din Hong Kong au reușit să utilizeze învățarea profundă de întărire pentru a preda microroboților cum să înoate. Această nouă dezvoltare reprezintă un pas important înainte în capacitățile de înot la micronivel.

Experții au fost consecvent focalizați pe crearea de microswimmers artificiali care pot naviga similar cu microorganismele care înoată natural, cum ar fi bacteriile. Acești microswimmers ar putea fi utilizați pentru o varietate de aplicații biomedicale în viitor, cum ar fi livrarea țintită de medicamente și microchirurgie. Chiar și cu accentul pe dezvoltare, majoritatea microswimmers artificiali de astăzi pot efectua doar manevre simple cu gaite de locomotivă fixe.

Noua studiu a fost publicată în Fizică Comunicații.

Predarea microswimmers cu IA

În studiu, echipa a considerat că IA poate preda microswimmers să se adapteze la condiții schimbătoare. Microswimmers, similar cu oamenii, necesită învățare de întărire și feedback pentru a învăța să înoate, dar au un set unic de provocări.

On Shun Pak este profesor asociat de inginerie mecanică la Universitatea Santa Clara.

“A fi capabil să înoți la nivel micro prin sine este o sarcină dificilă”, a spus On Shun Pak. “Când doriți ca un microswimmer să efectueze manevre mai sofisticate, proiectarea gaitei de locomotivă poate deveni rapid intractabilă.”

Combinarea rețelelor neuronale artificiale și a învățării de întărire

Echipa a combinat rețelele neuronale artificiale (ANN) și învățarea de întărire pentru a preda cu succes un microswimmer simplu să înoate și să navigheze spre o direcție arbitrară. Microswimmerul primește feedback pe acțiunile sale specifice, pe care le folosește apoi pentru a învăța progresiv să înoate pe baza experienței sale de interacțiune cu mediul.

Alan Tsang este profesor asistent de inginerie mecanică la Universitatea din Hong Kong.

“Similar cu un om care învață să înoate, microswimmerul învață să-și miște ‘părțile corpului’ — în acest caz, trei microparticule și legături extensibile — pentru a se autopropulsa și a se roti”, a spus Tsang. “Acesta face acest lucru fără a se baza pe cunoștințele umane, ci doar pe un algoritm de învățare automată.”

Microswimmerul cu IA poate comuta între diferite gaite de locomotivă adaptiv, ceea ce îi permite să navigheze spre orice loc țintă de unul singur.

Cercetătorii au demonstrat puterea microswimmerului, permițându-i să urmeze o cale complexă fără a fi programat explicit.

Yuan-nan Young este profesor de științe matematice la Institutul de Tehnologie din New Jersey.

“Acesta este primul nostru pas în abordarea provocării de a dezvolta microswimmers care pot adapta ca celule biologice în navigarea autonomă a mediilor complexe”, a spus Yuan-nan Young.

Comportamentele adaptive precum acestea sunt cele care oferă atâtea promisiuni pentru aplicații biomedicale.

Arnold Mathijssen este expert în microroboți și biofizică la Universitatea din Pennsylvania. El nu a fost implicat în cercetare.

“Această lucrare este un exemplu cheie al modului în care dezvoltarea rapidă a inteligenței artificiale poate fi exploatată pentru a aborda provocările nerezolvate în problemele de locomotivă în dinamica fluidelor”, a spus Mathijssen. “Integrarea dintre învățarea automată și microswimmers în această lucrare va declanșa conexiuni suplimentare între aceste două domenii de cercetare foarte active.”