Naukowcy z Santa Clara University, New Jersey Institute of Technology oraz University of Hong Kong byli w stanie z powodzeniem nauczyć mikroroboty pływania poprzez głębokie uczenie się wzmacniające, co stanowi znaczący skok w postępie zdolności pływackich mikroorganizmów.

Istnieje ogromne zainteresowanie rozwojem sztucznych mikropływaczy, które mogą poruszać się po świecie podobnie do naturalnie występujących pływających mikroorganizmów, takich jak bakterie. Takie mikropływaki są obiecujące dla szerokiej gamy przyszłych zastosowań biomedycznych, takich jak ukierunkowane dostarczanie leków i mikrochirurgia. Jednak jak dotąd większość sztucznych mikropływaczy może wykonywać tylko stosunkowo proste manewry przy ustalonym chodzie lokomotorycznym.

W badaniu opublikowanym w Communications Physics naukowcy stwierdzili, że mikropływaki mogłyby się uczyć – i dostosowywać do zmieniających się warunków – dzięki sztucznej inteligencji. Podobnie jak ludzie uczący się pływać wymagają uczenia się wzmocnień i sprzężenia zwrotnego, aby utrzymać się na powierzchni i napędzać w różnych kierunkach w zmieniających się warunkach, tak samo mikropływacy muszą, choć z ich unikalnym zestawem wyzwań nałożonych przez fizykę w mikroskopijnym świecie.

„Bycie w stanie pływać w mikroskali samo w sobie jest wyzwaniem”, powiedział On Shun Pak, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Santa Clara. „Kiedy chcesz, aby mikropływak wykonywał bardziej skomplikowane manewry, projektowanie ich chodów lokomotorycznych może szybko stać się niepraktyczne”.

Łącząc sztuczne sieci neuronowe z uczeniem wzmacniającym, zespół z powodzeniem nauczył prostego mikropływacza pływać i nawigować w kierunku dowolnego, arbitralnego kierunku. Kiedy pływak porusza się w określony sposób, otrzymuje informację zwrotną o tym, jak dobra jest dana akcja. Następnie pływak stopniowo uczy się pływać w oparciu o swoje doświadczenia w interakcji z otaczającym go środowiskiem.

„Podobnie jak człowiek uczy się pływać, mikropływacz uczy się, jak poruszać swoimi 'częściami ciała’ — w tym przypadku trzema mikrocząsteczkami i rozciągliwymi ogniwami — aby samemu się napędzać i obracać”, powiedział Alan Tsang, adiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie w Hongkongu. „Robi to bez polegania na wiedzy człowieka, a jedynie na algorytmie uczenia maszynowego”.

Zasilany przez AI pływak jest w stanie adaptacyjnie przełączać się między różnymi chodami lokomotorycznymi, aby samodzielnie nawigować w kierunku dowolnego miejsca docelowego.

Jako demonstrację potężnych zdolności pływaka, badacze pokazali, że może on podążać złożoną ścieżką bez wyraźnego zaprogramowania. Wykazali również solidną wydajność pływaka w nawigacji pod wpływem perturbacji wynikających z zewnętrznych przepływów płynów.

„To nasz pierwszy krok w kierunku podjęcia wyzwania, jakim jest opracowanie mikropływaczy, które mogą przystosować się jak komórki biologiczne do autonomicznego poruszania się w złożonych środowiskach” – powiedział Yuan-nan Young, profesor nauk matematycznych w New Jersey Institute of Technology.

Takie zachowania adaptacyjne są kluczowe dla przyszłych biomedycznych zastosowań sztucznych mikropływaczy w złożonych mediach z niekontrolowanymi i nieprzewidywalnymi czynnikami środowiskowymi.

„Ta praca jest kluczowym przykładem tego, jak szybki rozwój sztucznej inteligencji może być wykorzystany do rozwiązania nierozwiązanych wyzwań związanych z problemami lokomocji w dynamice płynów” – powiedział Arnold Mathijssen, ekspert od mikrorobotów i biofizyki na Uniwersytecie Pensylwanii, który nie był zaangażowany w badania. „Integracja między uczeniem maszynowym a mikropływakami w tej pracy spowoduje dalsze połączenia między tymi dwoma wysoce aktywnymi obszarami badawczymi”.

Źródło: New Jersey Institute of Technology

Fot.: Argonne National Laboratory