Trí tuệ nhân tạo giúp microrobot học cách bơi và điều hướng

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Santa Clara, Viện Công nghệ New Jersey và Đại học Hồng Kông đã thành công trong việc sử dụng học tăng cường sâu để dạy microrobot cách bơi. Phát triển mới này là một bước tiến lớn trong khả năng bơi lội vi mô.

Các chuyên gia đã tập trung liên tục vào việc tạo ra các microswimmers nhân tạo có thể điều hướng tương tự như các vi sinh vật bơi tự nhiên, chẳng hạn như vi khuẩn. Những microswimmers này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng y sinh trong tương lai, chẳng hạn như phân phối thuốc mục tiêu và phẫu thuật vi mô. Ngay cả với sự tập trung vào phát triển, hầu hết các microswimmers nhân tạo ngày nay chỉ có thể thực hiện các động tác đơn giản với các gaits vận động cố định.

Nghiên cứu mới được công bố trên Communications Physics.

Dạy Microswimmers Với Trí tuệ nhân tạo

Trong nghiên cứu, nhóm đã lý luận rằng trí tuệ nhân tạo có thể dạy microswimmers thích nghi với các điều kiện thay đổi. Microswimmers, tương tự như con người, cần học tăng cường và phản hồi để học cách bơi, nhưng chúng có một tập hợp các thách thức duy nhất.

On Shun Pak là giáo sư phụ tá về kỹ thuật cơ khí tại Đại học Santa Clara.

“Khả năng bơi ở quy mô vi mô chỉ bằng chính nó là một nhiệm vụ đầy thách thức,” nói On Shun Pak. “Khi bạn muốn một microswimmer thực hiện các động tác phức tạp hơn, thiết kế của các gaits vận động của chúng có thể nhanh chóng trở nên không thể giải quyết được.”

Kết hợp Mạng nơ-ron nhân tạo và Học tăng cường

Nhóm đã kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và học tăng cường để thành công trong việc dạy một microswimmer đơn giản cách bơi và điều hướng đến một hướng tùy ý. Microswimmer nhận được phản hồi về các hành động cụ thể của nó, mà nó sau đó sử dụng để học cách bơi dựa trên kinh nghiệm tương tác với môi trường.

Alan Tsang là giáo sư phụ tá về kỹ thuật cơ khí tại Đại học Hồng Kông.

“Tương tự như một người học cách bơi, microswimmer học cách di chuyển các ‘bộ phận cơ thể’ – trong trường hợp này là ba microparticles và liên kết có thể kéo dài – để tự đẩy và quay,” nói Tsang. “Nó làm như vậy mà không dựa vào kiến thức của con người mà chỉ dựa vào thuật toán học máy.”

Người bơi có sức mạnh trí tuệ nhân tạo có thể chuyển đổi giữa các gaits vận động khác nhau một cách thích nghi, cho phép nó điều hướng đến bất kỳ vị trí mục tiêu nào theo ý muốn.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh sức mạnh của microswimmer bằng cách cho phép nó theo dõi một đường phức tạp mà không cần lập trình rõ ràng.

Yuan-nan Young là giáo sư khoa học toán tại Viện Công nghệ New Jersey.

“Đây là bước đầu tiên của chúng tôi trong việc giải quyết thách thức phát triển microswimmers có thể thích nghi như các tế bào sinh học trong việc điều hướng các môi trường phức tạp một cách tự chủ,” nói Yuan-nan Young.

Các hành vi thích nghi như vậy là những gì mang lại nhiều hứa hẹn cho các ứng dụng y sinh.

Arnold Mathijssen là một chuyên gia về microrobot và sinh vật học tại Đại học Pennsylvania. Ông không tham gia vào nghiên cứu.

“Công việc này là một ví dụ quan trọng về cách phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo có thể được khai thác để giải quyết các thách thức chưa được giải quyết trong các vấn đề về động lực học chất lỏng,” nói Mathijssen. “Sự tích hợp giữa học máy và microswimmers trong công việc này sẽ tạo ra nhiều kết nối hơn giữa hai lĩnh vực nghiên cứu rất năng động này.”