來自圣克拉拉大學(xué)、新澤西理工學(xué)院和大學(xué)的研究人員已經(jīng)能夠通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)成功地教微型機(jī)器人如何游泳，這標(biāo)志著微型游泳能力的進(jìn)步有了實(shí)質(zhì)性的飛躍。

人們對開發(fā)能夠像細(xì)菌等自然存在的游泳微生物一樣在世界上航行的人造微型游泳者產(chǎn)生了極大的興趣。這種微型游泳者為大量未來的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了希望，例如靶向藥物輸送和顯微外科手術(shù)。然而，迄今為止，大多數(shù)人造微型游泳者只能以固定的運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行相對簡單的機(jī)動。

在發(fā)表在通訊物理學(xué)上的研究人員的研究中，他們推斷微型游泳者可以通過人工智能學(xué)習(xí)并適應(yīng)不斷變化的條件。就像人類學(xué)習(xí)游泳一樣，需要強(qiáng)化學(xué)習(xí)和反饋才能在不斷變化的條件下保持漂浮并朝各個方向推進(jìn)，微型游泳者也必須如此，盡管它們在微觀世界中面臨著物理學(xué)所帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

圣克拉拉大學(xué)機(jī)械工程副教授OnShunPak說：“能夠獨(dú)自在微觀尺度上游泳是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”“當(dāng)你想讓微型游泳者進(jìn)行更復(fù)雜的動作時，他們的運(yùn)動步態(tài)設(shè)計(jì)很快就會變得難以處理。”

通過將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)成功地教會了一個簡單的微型游泳者游泳并朝任意方向航行。當(dāng)游泳者以某種方式移動時，它會收到有關(guān)特定動作有多好的反饋。然后，游泳者根據(jù)其與周圍環(huán)境互動的經(jīng)驗(yàn)逐步學(xué)習(xí)如何游泳。

“類似于人類學(xué)習(xí)如何游泳，微型游泳者學(xué)習(xí)如何移動其‘身體部位’——在這種情況下是三個微粒和可擴(kuò)展的鏈接——以自行推進(jìn)和轉(zhuǎn)動，”該大學(xué)機(jī)械工程助理教授AlanTsang說。大學(xué)。“它不依賴人類知識，而只依賴機(jī)器學(xué)習(xí)算法。”

作為游泳者強(qiáng)大能力的證明，研究人員表明它可以在沒有明確編程的情況下遵循復(fù)雜的路徑。他們還展示了游泳者在外部流體流動引起的擾動下航行時的穩(wěn)健表現(xiàn)。

新澤西理工學(xué)院數(shù)學(xué)科學(xué)教授Yuan-nanYoung說：“這是我們應(yīng)對開發(fā)微型游泳者挑戰(zhàn)的第一步，這些微型游泳者可以像生物細(xì)胞一樣自主適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。”

這種適應(yīng)性行為對于人工微型游泳者在具有不受控制和不可預(yù)測的環(huán)境因素的復(fù)雜介質(zhì)中的未來生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要。

“這項(xiàng)工作是如何利用人工智能的快速發(fā)展來解決流體動力學(xué)運(yùn)動問題中未解決的挑戰(zhàn)的一個關(guān)鍵例子，”賓夕法尼亞大學(xué)微型機(jī)器人和生物物理學(xué)專家阿諾德·馬蒂森說，他沒有參與。在研究中。“這項(xiàng)工作中機(jī)器學(xué)習(xí)和微型游泳者之間的整合將激發(fā)這兩個高度活躍的研究領(lǐng)域之間的進(jìn)一步聯(lián)系。”