Крошечные так называемые микропловцы, покрытые золотом, можно перемещать в жидкости с помощью лазерной системы, управляемой системой машинного обучения, и ученые надеются, что в будущем этот метод будет каким-то образом использоваться для транспортировки лекарств внутрь людей.

Некоторые эксперты считают, что наномедицина — область исследований с использованием крошечных устройств, способных выполнять элементарные задачи, включая зондирование и плавание, — имеет многообещающие перспективы для таких вещей, как доставка лекарств и хирургия. Однако одним из самых больших препятствий является управление этими роботами, когда они находятся в чашке Петри или в человеческом теле.

Такие маленькие штуковины в жидкости сложно контролировать, поскольку они толкаются в случайных направлениях из-за столкновения других частиц — эффекта, известного как броуновское движение. В лаборатории им часто приходится вручную управлять с помощью магнитов или импульсов электричества. Однако теперь группа исследователей во главе с Лейпцигским университетом в Германии считает, что весь процесс можно автоматизировать с помощью лазеров.

В эксперименте, описанном в статье опубликовано В Science Robotics микроплавец диаметром около 2,18 микрометра, покрытый 8-нанометровым золотом, перемещался в крошечной капле раствора. Микропловец можно было двигать в восьми направлениях — например, вверх, вниз, влево, вправо и по диагонали — с помощью лазерных стрелок.

доктор

Ведущие врачи критикуют Google за то, что он не поддерживает невероятные утверждения об искусственном интеллекте, обнаруживающем рак

ПОДРОБНЕЕ

Тепло от лазера поглощается золотом, и одна сторона микропловца становится горячее, чем другая. Разница в температуре вызывает дисбаланс давления и толкает пловца в определенном направлении. В зависимости от направления приходящего лазерного импульса частица может так или иначе толкаться. Исследователи обучили алгоритм обучения с подкреплением, чтобы научиться направлять пловца с помощью лазерных импульсов в желаемое место.

Читайте также:
Вышла новая сборка Firefox 38

«Тренировка — это движение частицы в образце с соответствующими действиями, которые контролируются лазером», — сказал профессор Франк Кихос, соавтор статьи и руководитель группы молекулярных фотонов в Лейпцигском университете. Реестр.

Сначала в коде, потом в реальной жизни

Сначала движения микроплавателя были смоделированы с помощью программного обеспечения; он виртуально направлен на плавание в определенную область и вознаграждается, когда он приближается к цели, и штрафуется, когда он удаляется от нее. Со временем он учится плыть вопреки броуновскому движению, чтобы достичь определенного места с максимальной эффективностью.

Чтобы запустить алгоритм на реальном микроплавателе, движение позолоченной частицы необходимо отслеживать с помощью микроскопа и вводить в программное обеспечение. Затем алгоритм обучения с подкреплением предсказывает, как устройство должно двигаться, и эти выходные данные используются для управления направлением лазера, чтобы помочь ему плавать.

Все это происходит в режиме реального времени, поэтому частица исследует образец, а микроскоп и компьютер «видят» движение частицы и решают, что частица должна делать.

«Алгоритмы перемещают лазер для управления частицей с помощью обучения с подкреплением. [techniques running] на компьютере, — сказал профессор Цихос.

«Все это происходит в режиме реального времени, поэтому частица исследует образец, а микроскоп и компьютер« видят »движение частицы и решают, что частица должна делать, в соответствии с алгоритмом обучения с подкреплением».

Эта работа находится на уровне проверки концепции; на то, чтобы научить программное обеспечение перемещать микроплавец на расстояние в несколько микрометров, уходит несколько часов. Применение его для перемещения крошечного наноробота в кровь в вене или органе также создает новые проблемы. Мало того, что лазер должен быть в состоянии, в идеале безвредно, проникать через кожу, чтобы достичь крошечной частицы, микроплавателям приходится бороться с другими вещами, такими как артериальное давление.

Читайте также:
С iOS 11, Apple фокусируется на корпоративных пользователях

«Доставка лекарств, безусловно, была бы интересным приложением», — сказал нам профессор.

«Для этой цели было бы даже хорошо, если бы мы могли снабдить такие активные частицы некоторым интеллектом, так что нам не нужен внешний контроль. Это определенно одна из мечтаний ученых в этой области».

«Я думаю, что предстоит еще долгий путь. Ученые изучают разработку активных частиц для использования внутри тела, а также для применения в окружающей среде. Следующие шаги потребуют, например, добавления некоторого типа внешнего или внутреннего контроля. Чтобы направлять их с помощью адаптивных алгоритмов, которые мы использовали, нужен контроль над двигательными механизмами вместе с некоторыми методами визуализации. Свет, безусловно, отлично подходит для дистанционного управления, но имеет свои ограничения, когда вам нужно глубоко проникнуть в тело ».