Các vi sinh vật bơi lội nhân tạo có khả năng di chuyển tương tự như các vi sinh vật bơi lội tự nhiên gần đây đã trở thành tâm điểm của một số nhà nghiên cứu. Các vi sinh vật ở xung quanh chúng ta và có mối liên hệ chặt chẽ với cách con người sống trong cuộc sống hàng ngày. Các vi sinh vật đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học kể từ khi được phát hiện vào thế kỷ 19. Chúng được trồng cho mục đích nghiên cứu, nhưng quá trình này rất tốn kém và mất thời gian.
Tuy nhiên, công nghệ giải trình tự thông lượng cao không thể được phát triển với tốc độ tương đương với phương pháp nuôi cấy. Kỹ thuật học máy (ML) và trí tuệ nhân tạo (AI) đã được sử dụng rộng rãi trong vi sinh học để giải quyết vấn đề này. Chẳng hạn, tháng trước, các nhà nghiên cứu từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã chỉ ra phương pháp MARL dựa trên AI có thể cải thiện sự hợp tác giữa các nhóm robot như thế nào.
Lần này, học tăng cường sâu đã được sử dụng một cách hiệu quả để dạy microrobot cách bơi bởi một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Santa Clara, Viện Công nghệ New Jersey và Đại học Hồng Kông. Cải tiến mới nhất cải thiện đáng kể khả năng bơi vi mô.
Mục tiêu của các nhà khoa học là phát triển các thiết bị bơi vi mô nhân tạo có thể di chuyển theo cách tương đương với các vi sinh vật bơi lội tự nhiên, chẳng hạn như vi khuẩn. Các ứng dụng sinh học trong tương lai của những thiết bị bơi vi mô này có thể bao gồm vi phẫu và quản lý thuốc phù hợp, cùng nhiều thứ khác. Ngay cả khi được chú trọng cải tiến, hầu hết các vận động viên bơi vi mô nhân tạo trên thị trường hiện nay chỉ có thể thực hiện các động tác đơn giản với dáng đi cố định.
Người bơi vi mô được AI hỗ trợ có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra trong nghiên cứu của họ được công bố trên Vật lý truyền thông AI có thể hướng dẫn người bơi vi mô điều chỉnh theo các điều kiện môi trường thay đổi. Tương tự như con người, người bơi vi mô cũng cần học tập củng cố và phản hồi để học bơi, nhưng họ gặp phải những khó khăn khác nhau.
“Có thể bơi ở quy mô vi mô là một nhiệm vụ đầy thách thức. Khi bạn muốn một vận động viên bơi lội vi mô thực hiện các động tác phức tạp hơn, thiết kế dáng đi vận động của chúng có thể nhanh chóng trở nên khó điều khiển,” đồng tác giả nghiên cứu và phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Santa Clara, On Shun Pak, cho biết.
Phương pháp
Nhóm đã huấn luyện thành công một vận động viên bơi vi mô đơn giản để bơi và điều hướng theo hướng tùy ý bằng cách kết hợp học tập tăng cường và mạng lưới thần kinh nhân tạo (ANN). Người bơi vi mô nhận được thông tin đầu vào về các chuyển động cụ thể của nó, nó sử dụng thông tin này để học cách bơi bằng cách tương tác dần dần với môi trường xung quanh.
Các vi sinh vật bơi lội xen kẽ giữa các dáng đi vận động để sử dụng các phương pháp điều hướng phức tạp như chạy và lộn nhào để khám phá môi trường sống của chúng và tìm kiếm các mục tiêu cụ thể. Phân phối thuốc theo mục tiêu và vi phẫu là hai nhiệm vụ y sinh đầy thách thức mà các vận động viên bơi vi mô nhân tạo thông minh có thể thực hiện một cách tự chủ. Khả năng điều hướng có mục tiêu thông qua chuyển đổi dáng đi thích ứng này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh này.
Vai trò của AI trong chế tạo robot
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp học tăng cường sâu để cho phép một vận động viên bơi lội mô hình có thể tự học các dáng đi vận động hiệu quả cho các chuyển động tịnh tiến, xoay và kết hợp. Người bơi được hỗ trợ bởi AI có thể chuyển đổi thích ứng giữa một số dáng đi vận động để đi về hướng đích. Các mô hình chuyển đổi dáng đi tương tự mà vi sinh vật bơi lội sử dụng gợi ý về phương pháp điều hướng đa phương thức.
“Tương tự như việc con người học bơi, người bơi vi mô học cách di chuyển ‘các bộ phận cơ thể’ – trong trường hợp này là ba vi hạt và các liên kết có thể mở rộng – để tự di chuyển và quay. Nó làm được điều đó mà không cần dựa vào kiến thức của con người mà chỉ dựa vào thuật toán học máy”, đồng tác giả của nghiên cứu và trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Hồng Kông, Alan Tsang.
Máy bơi được hỗ trợ bởi AI có thể chuyển đổi thích ứng giữa các dáng đi khác nhau, cho phép nó tự động điều hướng đến bất kỳ địa điểm mục tiêu nào.
Các nhà nghiên cứu đang phát triển một phi công AI có khả năng điều hướng các không phận đông đúc
Các nhà nghiên cứu sử dụng khả năng đi theo một con đường phức tạp mà không cần lập trình rõ ràng của người bơi vi mô để minh họa cho sức mạnh của nó.
Đồng tác giả của nghiên cứu, Yuan-nan Young, giáo sư khoa học toán học tại Viện Công nghệ New Jersey, cho biết: “Đây là bước đầu tiên của chúng tôi trong việc giải quyết thách thức phát triển các thiết bị bơi vi mô có thể thích ứng như tế bào sinh học trong việc điều hướng các môi trường phức tạp một cách tự động”.
Những hành động thích ứng này là những gì mang lại tiềm năng nhất cho các ứng dụng sinh học.
“Công trình này là một ví dụ điển hình về cách khai thác sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo để giải quyết những thách thức chưa được giải quyết trong các vấn đề vận động trong động lực học chất lỏng. Sự tích hợp giữa máy học và máy bơi vi mô trong công việc này sẽ tạo ra sự kết nối hơn nữa giữa hai lĩnh vực nghiên cứu có tính tích cực cao này,” Arnold Mathijssen, một chuyên gia về robot vi mô và vật lý sinh học tại Đại học Pennsylvania, người không tham gia vào nghiên cứu, nhận xét.
