Home Wissenschaften Smarte Mikroroboter lernen mit künstlicher Intelligenz schwimmen und navigieren
Smarte Mikroroboter lernen mit künstlicher Intelligenz schwimmen und navigieren

Smarte Mikroroboter lernen mit künstlicher Intelligenz schwimmen und navigieren

by nwna_de

Bildnachweis: New Jersey Institute of Technology

Forscher der Santa Clara University, des New Jersey Institute of Technology und der University of Hong Kong konnten Mikrorobotern erfolgreich das Schwimmen beibringen, indem sie Deep Reinforcement Learning nutzen, was einen wesentlichen Sprung in der Entwicklung der Mikroschwimmfähigkeit darstellt.

Es besteht ein enormes Interesse an der Entwicklung künstlicher Mikroschwimmer, die ähnlich wie natürlich vorkommende schwimmende Mikroorganismen wie Bakterien durch die Welt navigieren können. Solche Mikroschwimmer sind vielversprechend für eine breite Palette zukünftiger biomedizinischer Anwendungen, wie z. B. gezielte Arzneimittelabgabe und Mikrochirurgie. Doch die meisten künstlichen Mikroschwimmer können bisher nur relativ einfache Manöver mit festen Bewegungsgängen ausführen.

In der Studie der Forscher, die in veröffentlicht wurde Kommunikationsphysik, argumentierten sie, dass Mikroschwimmer durch KI lernen und sich an veränderte Bedingungen anpassen könnten. Ähnlich wie Menschen, die schwimmen lernen, benötigen sie Verstärkungslernen und Feedback, um unter wechselnden Bedingungen über Wasser zu bleiben und sich in verschiedene Richtungen fortzubewegen, so müssen es auch Mikroschwimmer, allerdings mit ihren einzigartigen Herausforderungen, die durch die Physik in der mikroskopischen Welt auferlegt werden.

„In der Lage zu sein, allein im Mikromaßstab zu schwimmen, ist eine herausfordernde Aufgabe“, sagte On Shun Pak, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Santa Clara University. “Wenn Sie möchten, dass ein Mikroschwimmer anspruchsvollere Manöver durchführt, kann das Design seiner Bewegungsabläufe schnell unlösbar werden.”

Der von künstlicher Intelligenz angetriebene Schwimmer wechselt autonom zwischen verschiedenen Bewegungsmodi (farbcodiert) und verfolgt dabei eine komplexe Flugbahn „SWIM“. Bildnachweis: Zou et al., „Gangwechsel und gezielte Navigation von Mikroschwimmern durch tiefes Verstärkungslernen“ Kommun. Phys., 5, 158 (2022) DOI: 10.1038/s42005-022-00935-x

Durch die Kombination künstlicher neuronaler Netze mit Verstärkungslernen brachte das Team einem einfachen Mikroschwimmer erfolgreich bei, zu schwimmen und in jede beliebige Richtung zu navigieren. Wenn sich der Schwimmer auf bestimmte Weise bewegt, erhält er eine Rückmeldung, wie gut die jeweilige Aktion ist. Der Schwimmer lernt dann schrittweise, wie man schwimmt, basierend auf seinen Erfahrungen in der Interaktion mit der Umgebung.

“Ähnlich wie ein Mensch, der schwimmen lernt, lernt der Mikroschwimmer, wie er seine ‘Körperteile’ – in diesem Fall drei Mikropartikel und dehnbare Glieder – bewegt, um sich selbst anzutreiben und zu drehen”, sagte Alan Tsang, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Universität Hongkong. „Dies geschieht ohne menschliches Wissen, sondern nur mit einem maschinellen Lernalgorithmus.“

Als Demonstration der mächtigen Fähigkeiten des Schwimmers zeigten die Forscher, dass er einem komplexen Weg folgen kann, ohne explizit programmiert zu werden. Sie demonstrierten auch die robuste Leistung des Schwimmers beim Navigieren unter den Störungen, die durch externe Flüssigkeitsströmungen entstehen.

“Dies ist unser erster Schritt zur Bewältigung der Herausforderung, Mikroschwimmer zu entwickeln, die sich wie biologische Zellen anpassen können, um autonom durch komplexe Umgebungen zu navigieren”, sagte Yuan-nan Young, Professor für mathematische Wissenschaften am New Jersey Institute of Technology.

Solche adaptiven Verhaltensweisen sind entscheidend für zukünftige biomedizinische Anwendungen künstlicher Mikroschwimmer in komplexen Medien mit unkontrollierten und unvorhersehbaren Umweltfaktoren.

„Diese Arbeit ist ein Schlüsselbeispiel dafür, wie die schnelle Entwicklung der künstlichen Intelligenz genutzt werden kann, um ungelöste Herausforderungen bei Fortbewegungsproblemen in der Fluiddynamik anzugehen“, sagte Arnold Mathijssen, ein Experte für Mikroroboter und Biophysik an der University of Pennsylvania, der nicht beteiligt war in der Forschung. „Die Integration zwischen maschinellem Lernen und Mikroschwimmern in dieser Arbeit wird weitere Verbindungen zwischen diesen beiden hochaktiven Forschungsbereichen hervorrufen.“


Aufdecken physikalischer Mechanismen hinter der Bewegung von Mikroschwimmern


Mehr Informationen:
Zonghao Zou et al, Gait Switching and Targeted Navigation of Microswimmers via Deep Reinforcement Learning, Kommunikationsphysik (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00935-x

Bereitgestellt vom New Jersey Institute of Technology

Zitat: Intelligente Mikroroboter lernen mit künstlicher Intelligenz zu schwimmen und zu navigieren (2022, 5. August), abgerufen am 6. August 2022 von https://techxplore.com/news/2022-08-smart-microrobots-artificial-intelligence.html

Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt. Abgesehen von einem fairen Handel zum Zwecke des privaten Studiums oder der Forschung darf kein Teil ohne schriftliche Genehmigung reproduziert werden. Der Inhalt dient nur zu Informationszwecken.



Aus dem englischem, Quelle angegeben.