Умные микророботы учатся плавать и ориентироваться с помощью искусственного интеллекта

Исследователи из Университета Санта-Клары, Технологического института Нью-Джерси и Университета Гонконга смогли успешно научить микроов плавать с помощью глубокого обучения с подкреплением, что ознаменовало существенный скачок в развитии способностей к микроплаванию.


Существует огромный интерес к разработке искусственных микропловцов, которые могут перемещаться по миру так же, как естественные плавающие микроорганизмы, такие как бактерии. Такие микропловцы открывают перспективы для широкого спектра будущих биомедицинских приложений, таких как адресная доставка лекарств и микрохирургия. Тем не менее, большинство искусственных микропловцов на сегодняшний день могут выполнять только относительно простые маневры с фиксированной двигательной походкой.

В исследовании ученых, опубликованном в Физика связиОни полагали, что микропловцы могут учиться и адаптироваться к меняющимся условиям с помощью ИИ. Так же, как людям, которые учатся плавать, требуется обучение с подкреплением и обратная связь, чтобы оставаться на плаву и двигаться в различных направлениях в изменяющихся условиях, то же самое необходимо и микропловцам, хотя и с их уникальным набором проблем, связанных с физикой в ​​микроскопическом мире.

«Возможность плавать в микромасштабе сама по себе является сложной задачей», — сказал Он Шун Пак, доцент кафедры машиностроения в Университете Санта-Клары. «Когда вы хотите, чтобы микропловец выполнял более сложные маневры, конструкция его локомоторных походок может быстро стать неподатливой».

Объединив искусственные нейронные сети с обучением с подкреплением, команда успешно научила простого микропловца плавать и перемещаться в любом произвольном направлении. Когда пловец движется определенным образом, он получает обратную связь о том, насколько хорошо это конкретное действие. Затем пловец постепенно учится плавать, основываясь на своем опыте взаимодействия с окружающей средой.

«Подобно тому, как человек учится плавать, микропловец учится перемещать свои «части тела» — в данном случае три микрочастицы и растяжимые соединения — для самостоятельного движения и поворота», — сказал Алан Цанг, доцент кафедры машиностроения. в Университете Гонконга. «Он делает это, не полагаясь на человеческие знания, а только на алгоритм машинного обучения».

Пловец с искусственным ом может адаптивно переключаться между различными двигательными походками, чтобы самостоятельно перемещаться к любому целевому местоположению.

В качестве демонстрации мощных способностей пловца исследователи показали, что он может двигаться по сложному пути без явного программирования. Они также продемонстрировали устойчивую работу пловца при навигации в условиях возмущений, возникающих из-за внешних потоков жидкости.

«Это наш первый шаг в решении проблемы разработки микропловцов, которые могут адаптироваться, как биологические клетки, к автономной навигации в сложной среде», — сказал Юань-нан Янг, профессор математических наук в Технологическом институте Нью-Джерси.