Штучні мікророботи вчаться плавати та орієнтуватися за допомогою штучного інтелекту

Команда дослідників з Університету Санта-Клари, Нью-Джерсі Інституту технологій та Гонконзького університету успішно використали глибоке навчання з підкріпленням, щоб навчити мікророботів плавати. Ця нова розробка є суттєвим кроком вперед у мікроплаванні.

Експерти постійно зосереджені на створенні штучних мікроплавців, які можуть рухатися подібно до природних мікроорганізмів, таких як бактерії. Ці мікроплавці можуть бути використані для різних біомедичних застосунків у майбутньому, таких як цільова доставка ліків та мікрохірургія. Навіть з акцентом на розробці, більшість сучасних штучних мікроплавців можуть виконувати лише прості маневри з фіксованими гайтами.

Нове дослідження було опубліковане в Communications Physics.

Навчання мікроплавців штучним інтелектом

У дослідженні команда вважала, що штучний інтелект може навчити мікроплавців адаптуватися до змінних умов. Мікроплавці, подібно до людей, потребують навчання з підкріпленням та зворотного зв’язку, щоб навчитися плавати, але вони мають особливий набір проблем.

Он Шун Пак – асоційований професор механічної інженерії в Університеті Санта-Клари.

“Плавання на мікрорівні сам по собі є складним завданням”, – сказав Он Шун Пак. “Коли ви хочете, щоб мікроплавець виконував більш складні маневри, проектування їхніх гайтів може швидко стати не підконтрольним.”

Об’єднання штучних нейронних мереж та навчання з підкріпленням

Команда об’єднала штучні нейронні мережі (ШНМ) та навчання з підкріпленням, щоб успішно навчити простий мікроплавець плавати та орієнтуватися у довільному напрямку. Мікроплавець отримує зворотний зв’язок щодо своїх конкретних дій, які він потім використовує для прогресивного навчання плавання на основі свого досвіду взаємодії з середовищем.

Алан Цанг – асистент професора механічної інженерії в Гонконзькому університеті.

“Подібно до людини, яка вчиться плавати, мікроплавець вчиться рухати свої “частини тіла” – у цьому випадку три мікрочастинки та розтяжні зв’язки – щоб самопідштовхуватися та повертатися”, – сказав Цанг. “Він робить це без використання людських знань, лише за допомогою алгоритму машинного навчання.”

Штучний інтелект, що керує плавцем, може перемикатися між різними гайтами адаптивно, що дозволяє йому орієнтуватися у будь-якому напрямку самостійно.

Дослідники продемонстрували потужність мікроплавця, дозволивши йому слідувати складному шляху без явної програми.

Юань-нан Янг – професор математичних наук у Нью-Джерсі Інституті технологій.

“Це наш перший крок у вирішенні проблеми створення мікроплавців, які можуть адаптуватися, як біологічні клітини, у навігації складних середовищ автономно”, – сказав Юань-нан Янг.

Адаптивна поведінка, подібна до цієї, обіцяє багато перспектив для біомедичних застосунків.

Арнольд Матійссен – експерт з мікророботів та біофізики в Університеті Пенсільванії. Він не брав участі у дослідженні.

“Ця робота є ключовим прикладом того, як швидкий розвиток штучного інтелекту може бути використаний для вирішення нерозв’язаних проблем руху в рідинах”, – сказав Матійссен. “Інтеграція між машинним навчанням та мікроплавцями в цій роботі сприятиме подальшим зв’язкам між цими двома високоактивними галузями досліджень.”