_ Inteligența artificială aduce o muscă virtuală la viață

Prin perfuzarea unei muște virtuale a fructelor cu inteligență artificială, Janelia și Google DeepMind, oamenii de știință au creat o insectă computerizată care poate merge și zbura la fel ca un lucru real.

Noul musca virtuală este cea mai realistă simulare a unei muscă de fructe creată până în prezent. Acesta combină un nou model anatomic precis al scheletului exterior al muștei, un simulator de fizică rapid și o rețea neuronală artificială antrenată pe comportamentele muștei pentru a imita acțiunile unei muște adevărate.

Împreună cu mersul și zborul prin complex. traiectorii, musca virtuală își poate folosi ochii pentru a-și controla și direcționa zborul.

„Preluați date reale despre muște — cum zboară muștele reale și cum merg muștele reale — și antrenați rețeaua să imite aceste mișcări și apoi lăsăm această rețea pe care am antrenat-o să controleze musca și să îi spunem zboarei cum să se miște”, spune Roman Vaxenburg, cercetător în învățarea automată în Laboratorul Turaga de la Janelia, care a condus proiectul. „Este ca un mic creier care controlează mișcările muștei.”

Noul model este prima iterație a muștei virtuale a echipei, pe care intenționează să o facă și mai reală, cu caracteristici anatomice și senzoriale suplimentare și un rețea neuronală reală. Este, de asemenea, primul din ceea ce ei speră să fie o serie de modele animale realiste pe care ei și alți cercetători le pot dezvolta acum folosind acest cadru cu sursă deschisă, cu scop general.

Aceste modele ar putea ajuta oamenii de știință mai pe deplin. înțelegeți modul în care sistemul nervos, corpul și mediul lucrează împreună pentru a controla comportamentul. În timp ce cercetătorii au investigat aceste întrebări cu animale reale în laborator timp de zeci de ani, modelele virtuale realiste le vor permite oamenilor de știință să înțeleagă cum se interacționează toate aceste componente și cum factorii care nu pot fi măsurați în laborator - cum ar fi forța exercitată asupra corpului atunci când zboară. — afectează comportamentul.

„Simularea corpului vă poate spune cum comenzile de la sistemul nervos sunt traduse în acțiuni și comportament și că „cum” are de-a face cu forma corpului și fizica modul în care corpul interacționează cu lumea”, spune Janelia Group Leader Srinivas Turaga, un om de știință senior al proiectului. „Toate acestea sunt codificate în această simulare de fizică.”

Construirea unei muște

Noul model se bazează pe lucrările anterioare pentru a simula comportamentul muștei fructelor, inclusiv Grand Unified Fly care folosește un corp simplificat și un sistem de control manual pentru a simula zborul. Cel mai recent NeuroMechFly utilizează un model corporal realist și un sistem de control manual cu componente învățate pentru a simula mersul pe jos.

În noua lucrare, cercetătorii Janelia și oamenii de știință DeepMind, conduși de cercetătorii seniori Yuval Tassa și Josh Merel ( acum la Fauna Robotics), și-a propus să îmbunătățească anatomia, biomecanica, fizica și comportamentul modelului de muscă pentru a crea o simulare mai realistă a muștei care ar putea duce la mai multe comportamente. Efortul este una dintre mai multe colaborări dintre Janelia și DeepMind, folosind expertiza lor combinată în neuroștiință și inteligență artificială pentru a aborda întrebări științifice.

„Cercetarea în neuroștiința computațională a căutat rareori să simuleze lucrurile la acest nivel global, în ciuda larg răspândite. recunoașterea faptului că înțelegerea funcției creierului depinde de înțelegerea corpului și a interacțiunilor sale cu alte obiecte fizice”, spune Matthew Botvinick, director senior de cercetare la DeepMind, care folosește AI pentru a ajuta la promovarea științei prin parteneriat cu experți din comunitatea de cercetare.

„În sesiunile de brainstorming cu Srini și restul acestei echipe, ne-am dat seama că există o oportunitate interesantă de a aduce toate piesele împreună în contextul cercetării muștelor fructelor.”

Pentru a începe, specialistul în cercetare Janelia Igor Siwanowicz a fotografiat diverse părți ale unei femele adulte de muscă de fructe cu un microscop și a folosit un software de calculator pentru a construi un model virtual anatomic precis al corpului exterior al muștei, care include mișcările lui. articulațiile și anexele muștei.

Cercetătorii DeepMind, inclusiv Tassa, Merel și inginerul de cercetare Guido Novati, au tradus acest model virtual în cod pe care l-au introdus în simulatorul MuJoCo, un simulator de fizică rapid, open-source creat pentru robotică și biomecanică. Instrumentul le permite cercetătorilor să simuleze virtual modul în care ceva s-ar putea mișca și interacționa în lumea reală.

Pentru a sprijini modelul muștei fructelor, cercetătorii au făcut îmbunătățiri semnificative la simulator, inclusiv dispozitive de aderență care modelează forțele generate de picioarele insectelor strângând o suprafață.

De asemenea, echipa a avut noroc că Novati a proiectat un nou model de forță fluidă, care descrie forțele care acționează în zbor în timp ce acesta se mișcă prin aer. Modelul poate suporta tot felul de comportamente aerodinamice, inclusiv zborul înaripat, spune Tassa, un autor principal al proiectului.

Deoarece forțele care acționează în zbor sunt atât de minuscule, „modelarea unei insecte atât de mici a fost foarte provocatoare”, spune Tassa.

În continuare, Vaxenburg a construit o rețea neuronală artificială și a antrenat-o cu privire la comportamentul real al muștelor, alimentând-o cu informații preluate din videoclipuri înregistrate de experți în comportamentul muștelor, inclusiv liderii grupului senior Janelia Kristin Branson și Michael Reiser, investigatorul HHMI Gwyneth Card și profesorul de la Caltech Michael Dickinson.

Viteza mare a simulatorului MuJoCo a permis echipei să infuzeze modelul de muscă cu rețeaua neuronală a lui Vaxenburg, care a învățat cum să miște musca într-un mod realist de a realiza o acțiune. Când modelului i se dă o comandă de nivel înalt, cum ar fi mersul înainte într-un anumit ritm, rețeaua neuronală traduce această comandă în mișcări de nivel scăzut pe care o muscă reală le-ar folosi pentru a efectua acțiunea.

" Scopul a fost să îmbunătățim nivelul de realism și asta am făcut pe două fronturi: unul a fost îmbunătățirea captării detaliilor anatomice - cum este construită musca fructelor - și celălalt a capturat comportamentul - cum se mișcă și reacționează, „, spune Vaxenburg.

Noul model este doar începutul. Apoi, echipa speră să creeze un model de muscă și mai realist prin încorporarea altor părți ale anatomiei muștei, cum ar fi mușchii și tendoanele sale, și un sistem senzorial realist în insecta lor virtuală. Ei doresc, de asemenea, să poată folosi o rețea neuronală reală, cum ar fi conectomul cordonului nervos ventral al muștei fructelor, pentru a alimenta modelul.

Acum, echipa a demonstrat că pot crea aceste tipuri de modele virtuale realiste. , ei doresc, de asemenea, să creeze un șoarece virtual și pește-zebră, două organisme studiate pe scară largă de neurologi. Conducta pe care au folosit-o pentru a crea musca virtuală este, de asemenea, accesibilă gratuit cercetătorilor din întreaga lume, permițând altora să-și creeze și propriile modele realiste.

„Am arătat cum să o facem și o putem face din nou. pentru alt organism”, spune Turaga.

(Fluierul)