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ML、レーザー、そして小さな金メッキのマイクロボットを結び付けるものは何でしょうか? 答え: スマートメディスン

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金でコーティングされた小さないわゆるマイクロスイマーは、機械学習システムによって制御されるレーザーシステムを使用して液体中を動き回ることができます。科学者たちは、この技術が将来何らかの形で人間の体内に薬物を輸送するために使用されることを期待しています。

一部の専門家は、センシングやスイミングなどの基本的なタスクを実行できる小型デバイスを含む研究分野であるナノ医療は、薬物送達や手術などに大きな可能性を秘めていると信じている。 しかし、最大のハードルの XNUMX つは、これらのロボットをシャーレや人体の中に入れて制御することです。

このような小さなギズモを液体中で制御するのは困難です。これは、ブラウン運動として知られる効果である他の粒子の衝突によってランダムな方向に押されるためです。 多くの場合、研究室では磁石や電気パルスを使用して手動で制御する必要があります。 しかし現在、ドイツのライプツィヒ大学が率いる研究チームは、レーザーを使用してプロセス全体を自動化できると考えています。

論文に記載された実験では 公表 Science Robotics では、直径約 2.18 マイクロメートルで 8nm の金でコーティングされたマイクロスイマーが、小さな液滴の中で操縦されました。 マイクロスイマーは、レーザー ザップを使用して、上下左右、斜めなど XNUMX 方向に推進できます。

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レーザーからの熱は金に吸収され、マイクロスイマーの片側がもう一方の側よりも熱くなります。 温度の違いにより圧力の不均衡が生じ、スイマーを特定の方向に推進させます。 入ってくるレーザーパルスの方向に応じて、粒子は何らかの方向に動かされる可能性があります。 研究者らは、レーザーバーストを使用して水泳選手を目的の場所に誘導する方法を学習する強化学習アルゴリズムをトレーニングしました。

「トレーニングとは、レーザーによって制御される対応する動作を伴うサンプル内の粒子の動きです」と、論文の共著者でライプツィヒ大学の分子光子グループの責任者であるフランク・シコス教授は語った。 登録.

最初はコードで、次に実際の生活で

マイクロスイマーの動きは最初にソフトウェアでモデル化されました。 特定の領域に泳ぐように仮想的に指示され、ターゲットに近づくと報酬が与えられ、ターゲットから遠ざかるとペナルティが与えられます。 時間が経つにつれて、ブラウン運動の粒度に逆らって泳ぎ、できるだけ効率的に特定の場所に到達する方法を学習します。

実際のマイクロスイマーでアルゴリズムを実行するには、金メッキ粒子の動きを顕微鏡を使用して追跡し、ソフトウェアに入力する必要があります。 次に、強化学習アルゴリズムがデバイスがどのように動くべきかを予測し、この出力を使用してレーザーの方向を制御し、デバイスが泳ぐのを助けます。

これはすべてリアルタイムで行われるため、粒子はサンプルを探索し、顕微鏡とコンピューターが粒子の動きを「見て」、粒子が何をすべきかを決定します。

「アルゴリズムは、コンピューター上で強化学習(実行される技術)を使用してレーザーを動かし、粒子を制御しています」とシチョス教授は述べた。

「これはすべてリアルタイムで行われるため、粒子はサンプルを探索し、顕微鏡とコンピューターは粒子の動きを「見て」、強化学習アルゴリズムに従って粒子が何をすべきかを決定します。」

この作業は概念実証レベルです。 マイクロスイマーを数マイクロメートルの距離で移動させるソフトウェアのトレーニングには何時間もかかります。 これを応用して、静脈や臓器内の血液中の小さなナノボットを動かすことにも、新たな課題が生じます。 レーザーが理想的には無害に皮膚を貫通して小さな粒子に到達できなければならないだけでなく、マイクロスイマーは血圧など他の問題とも闘わなければなりません。

「ドラッグデリバリーは確かに興味深い応用でしょう」と教授は私たちに語った。

「そのためには、外部制御を必要としないように、そのような活性粒子自体に何らかの知性を持たせることができればさらに素晴らしいでしょう。 これは確かに、この分野で科学者が抱いている夢の XNUMX つです。」

「まだまだ先は長いと思います。 科学者たちは、体内だけでなく環境への応用も目的とした活性粒子の開発を研究しています。 次の手順では、たとえば、何らかの種類の外部または内部制御を追加する必要があります。 私たちが使用した適応アルゴリズムでそれらを誘導するには、何らかの画像化技術とともに推進メカニズムを制御する必要があります。 確かに光は遠隔操作には最適ですが、体の奥深くまで入り込む必要がある場合には限界があります。」 ®

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出典: https://go.theregister.com/feed/www.theregister.com/2021/03/26/ai_laser_gold/

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