Aprender a navegar en campos químicos sin un mapa a bajos números de Reynolds

Área de la Ciencia:

• La robótica
• Inteligencia artificial
• Biomimética

Sus antecedentes:

• La navegación efectiva para los micro nadadores, tanto biológicos como artificiales, es crucial para la localización del objetivo utilizando señales ambientales limitadas.
• Los micro nadadores biológicos exhiben estrategias de navegación sin mapas sofisticadas, una capacidad que sigue siendo difícil de replicar en sistemas artificiales.
• Los micro nadadores artificiales actuales a menudo dependen de mapas preexistentes, lo que limita su capacidad de adaptación en entornos desconocidos o dinámicos.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un sistema de navegación autónomo para micro nadadores artificiales capaces de buscar objetivos en entornos desconocidos sin mapas preexistentes.
• Permitir que los micro nadadores artificiales respondan a las señales ambientales locales para una navegación efectiva, similar a las contrapartes biológicas.

Principales métodos:

• Se utilizó el aprendizaje de refuerzo profundo para entrenar a un micro nadador artificial reconfigurable para la navegación sin mapas.
• El microswimmer fue entrenado para navegar hacia una fuente química al detectar y responder a señales químicas locales.

Principales resultados:

• El micro nadador artificial navegó con éxito hacia una fuente química al adaptar su estrategia de locomoción, exhibiendo un comportamiento de "correr y caer" similar a la quimiotaxis bacteriana.
• El microswimmer sin mapa demostró un rendimiento robusto en entornos con desviaciones significativas de sus condiciones de entrenamiento, incluidos campos químicos fluctuantes y variables en el tiempo.
• El sistema mostró capacidad para explorar paisajes químicos complejos con múltiples máximas de concentración, localizando eficientemente las áreas objetivo.

Conclusiones:

• El aprendizaje por refuerzo profundo proporciona un método viable para crear una navegación autónoma y sin mapas en micro nadadores artificiales.
• La estrategia desarrollada permite a los micro nadadores buscar objetivos de manera efectiva en entornos desconocidos y dinámicos, imitando la navegación biológica.
• Esta investigación allana el camino para los avanzados micro nadadores autónomos aplicables en diversos entornos impredecibles.