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Reinforcement learning with artificial microswimmers

活性物质 布朗运动 生命系统 强化学习 噪音(视频) 计算机科学 推进 人工智能 生物系统 物理 量子力学 生物 细胞生物学 热力学 图像(数学)
作者
Santiago Muíños-Landín,Alexander Fischer,Viktor Holubec,Frank Cichos
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:6 (52) 被引量:85
标识
DOI:10.1126/scirobotics.abd9285
摘要

Artificial microswimmers that can replicate the complex behavior of active matter are often designed to mimic the self-propulsion of microscopic living organisms. However, compared with their living counterparts, artificial microswimmers have a limited ability to adapt to environmental signals or to retain a physical memory to yield optimized emergent behavior. Different from macroscopic living systems and robots, both microscopic living organisms and artificial microswimmers are subject to Brownian motion, which randomizes their position and propulsion direction. Here, we combine real-world artificial active particles with machine learning algorithms to explore their adaptive behavior in a noisy environment with reinforcement learning. We use a real-time control of self-thermophoretic active particles to demonstrate the solution of a simple standard navigation problem under the inevitable influence of Brownian motion at these length scales. We show that, with external control, collective learning is possible. Concerning the learning under noise, we find that noise decreases the learning speed, modifies the optimal behavior, and also increases the strength of the decisions made. As a consequence of time delay in the feedback loop controlling the particles, an optimum velocity, reminiscent of optimal run-and-tumble times of bacteria, is found for the system, which is conjectured to be a universal property of systems exhibiting delayed response in a noisy environment.
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