Ученые обучили микророботов плавать с помощью искусственного интеллекта
Глубокое обучение с подкреплением позволило микророботам с искусственным интеллектом плыть к заданной цели, оптимизируя способ плавания в зависимости от характеристик потока. Такого эффекта сумели добиться исследователи из Университета Санта-Клары, Технологического института Нью-Джерси и Университета Гонконга, сообщает 4 августа пресс-служба Технологического института Нью-Джерси (США).
Достигнутый прогресс в развитии способностей к микроплаванию искусственных микропловцов открывает перспективы для широкого спектра будущих биомедицинских приложений, например таких, как адресная доставка лекарств или микрохирургия.
Результаты исследования ученые представили в статье «Переключение походки и целевая навигация микропловцов с помощью глубокого обучения с подкреплением», опубликованной в журнале Communications Physics.
Исследователи предположили, что, как и людям, обучающимся плавать, требуется обучение с подкреплением и обратная связь для того, чтобы оставаться на плаву и двигаться в различных направлениях в изменяющихся условиях, микропловцам также необходимо учиться выбирать стратегию движения, пусть и в условиях других, уникальных проблем, связанных с физикой потоков в микроскопическом мире.
Он Шун Пак, доцент кафедры машиностроения в Университете Санта-Клары, пояснил: «Возможность плавать в микромасштабе сама по себе является сложной задачей. Когда вы хотите, чтобы микропловец выполнял более сложные маневры, конструкция его двигательных элементов может стать неподатливой».
Для решения этой проблемы команда использовала в обучении микропловцов искусственные нейронные сети с подкреплением: когда такой пловец движется определенным образом, он получает обратную связь о том, насколько правильно он выполняет это конкретное действие. Основываясь на своем опыте взаимодействия с окружающей средой, пловец постепенно учится плавать оптимальным образом.
Вместо того чтобы явно программировать пловца для выполнения этих задач при традиционном подходе, искусственный интеллект рекомендует пловцу выполнять сложные двигательные движения и автономное переключение типа движения при выполнении этих навигационных задач.
«Подобно тому, как человек учится плавать, микропловец учится перемещать свои «части тела“ — в данном случае три микрочастицы и растяжимые, реконфигурируемые соединения — для самодвижения и поворотов, — рассказал Алан Цанг, доцент кафедры машиностроения в Университете Гонконга. — Он делает это, не полагаясь на человеческие знания, а только на алгоритм машинного обучения».
Демонстрируя полученные уникальные способности своего пловца, исследователи показали, что он может двигаться по сложному пути без явного его программирования в условиях возмущений, возникающих из-за внешних потоков жидкости.
Юань-нан Янг, профессор математических наук в Технологическом институте Нью-Джерси отметил: «Это наш первый шаг в решении проблемы разработки микропловцов, которые могут адаптироваться, как биологические клетки, к автономной навигации в сложной среде».
Разработчики считают, что их результаты демонстрируют огромный потенциал этого глубокого подхода в обучении ИИ для реализации адаптивности, аналогичной адаптивности биологических организмов, при создании надежных двигательных способностей — пловец с искусственным интеллектом способен преодолевать некоторые влияния потоков, даже если такие потоки отсутствовали в тренировке.
Более того, они отмечают, что структура глубокого обучения с подкреплением не привязана к каким-то конкретным пловцам и та же структура применима к другим реконфигурируемым системам.
