Искусственный интеллект помогает микророботам учиться плавать и ориентироваться

Команда исследователей из Университета Санта-Клары, Нью-Джерсийского технологического института и Гонконгского университета успешно использовала глубокое обучение с подкреплением для обучения микророботов плаванию. Это новое развитие является значительным шагом вперед в микроплавании.

Эксперты последовательно фокусировались на создании искусственных микроплавателей, которые могут ориентироваться подобно естественным микроорганизмам, таким как бактерии. Эти микроплаватели могут быть использованы для различных биомедицинских применений в будущем, таких как целевая доставка лекарств и микрохирургия. Даже с фокусом на развитии, большинство современных искусственных микроплавателей могут выполнять только простые маневры с фиксированными локомоторными гайтами.

Новое исследование было опубликовано в Communications Physics.

Обучение микроплавателям с помощью ИИ

В исследовании команда рассуждала, что ИИ может обучить микроплавателей адаптироваться к меняющимся условиям. Микроплаватели, подобно людям, требуют обучения с подкреплением и обратной связи, чтобы учиться плавать, но они имеют уникальный набор проблем.

Он Шун Пак – ассоциированный профессор механической инженерии в Университете Санта-Клары.

“Способность плавать на микроуровне сама по себе является сложной задачей”, – сказал Он Шун Пак. “Когда вы хотите, чтобы микроплаватель выполнял более сложные маневры, проектирование их локомоторных гайтов может быстро стать неосуществимым.”

Объединение искусственных нейронных сетей и обучения с подкреплением

Команда объединила искусственные нейронные сети (ИНС) и обучение с подкреплением, чтобы успешно обучить простого микроплавателя плавать и ориентироваться в произвольном направлении. Микроплаватель получает обратную связь о своих конкретных действиях, которую он затем использует для прогрессивного обучения, как плавать на основе своего опыта взаимодействия с окружающей средой.

Алан Цзян – ассистент профессора механической инженерии в Гонконгском университете.

“Похожим образом, как человек учится плавать, микроплаватель учится двигать своими ‘частями тела’ – в данном случае тремя микрочастицами и расширяемыми связями – для самохода и поворота”, – сказал Цзян. “Он делает это без использования человеческих знаний, только на основе алгоритма машинного обучения.”

ИИ-управляемый плаватель может переключаться между различными локомоторными гайтами адаптивно, что позволяет ему ориентироваться в любом направлении самостоятельно.

Исследователи продемонстрировали силу микроплавателя, позволив ему следовать сложному пути без явной программирования.

Юань-нань Янг – профессор математических наук в Нью-Джерсийском технологическом институте.

“Это наш первый шаг в решении проблемы разработки микроплавателей, которые могут адаптироваться, как биологические клетки, ориентируясь в сложных средах самостоятельно”, – сказал Юань-нань Янг.

Адаптивные поведения, такие как эти, имеют большую перспективу для биомедицинских применений.

Арнольд Матиjsсен – эксперт по микророботам и биофизике в Университете Пенсильвании. Он не участвовал в исследовании.

“Эта работа является ключевым примером того, как быстрое развитие искусственного интеллекта может быть использовано для решения нерешенных проблем в области гидродинамики”, – сказал Матиjsсен. “Интеграция между машинным обучением и микроплавателями в этой работе будет стимулировать дальнейшие связи между этими двумя высокоактивными областями исследований.”