Штучний інтелект створив підводні планери нових форм

На дні басейну в Массачусетському технологічному інституті дослідники продовжують випробовувати незвичайний планер. У цього планера немає пропелера, він не схожий на жодну відому рибу. Це щось середнє між паперовим літачком та лихоманочним сном, виготовленим з пластику. Звичайно, це творіння штучного інтелекту.

Ця дивна конструкція разом зі своїм ще більш незвичайним двійником плоским чотирикрилим планером належать до перших автономних підводних апаратів, спроектованих майже повністю системою машинного навчання. Їхні творці стверджують, що ці нові форми незабаром можуть революціонізувати спосіб дослідження океану вченими, від картографування течій до моніторингу впливу зміни клімату.

«Такий рівень різноманітності форм раніше не досліджувався, тому більшість цих конструкцій не тестувалися в реальному світі», сказав Пітер Ічен Чен, постдокторський дослідник Лабораторії комп'ютерних наук та штучного інтелекту MIT та співавтор проекту.

Протягом десятиліть морські вчені намагалися наслідувати гідродинамічну геніальність природи. Тюлені, кити та скати розсікають воду з неймовірною ефективністю. Автономні підводні апарати, навпаки, залишалися переважно утилітарними: обтічні труби з крилами, ефективні, але не надихаючі.

Причина проста: важко переосмислити корпус. Проектування, будівництво та тестування нових форм під водою є трудомістким та дорогим процесом. Тому дослідники дотримуються того, що працює.

Новий конвеєр штучного інтелекту, розроблений дослідниками MIT та Університету Вісконсін-Медісон, перевертає цей процес. Замість покладання на людську інтуїцію та знання команда побудувала систему, яка одночасно проектує як форму планера, так і спосіб його керування під час руху.

Алгоритм навчається з кожної форми, яку він тестує. Основою системи є нейронна мережа, яка прогнозує, як запропоновані планери поводитимуться в різних умовах, зосереджуючись головним чином на співвідношенні підйомної сили до опору. Чим вище це число, тим ефективніше планер може рухатися через воду з мінімальним споживанням енергії.

«Співвідношення підйомної сили до опору є ключовими для польоту літаків», сказав Ніклас Хагеманн, аспірант MIT та співкерівник проекту. «Наш конвеєр модифікує форми планерів, щоб знайти найкраще співвідношення підйомної сили до опору, оптимізуючи його продуктивність під водою».

Ця оптимізація вимагала від штучного інтелекту розуміння як фізики руху, так і геометрії дизайну. Для цього команда побудувала «клітку деформації». Ця клітка є математичною структурою для згинання та розтягування простих форм, таких як еліпсоїди, у щось нове. Вони навчили свою систему, використовуючи 20 базових моделей, включаючи китів, акул та підводні човни, а потім згенерували сотні варіацій.

Результат: планери з абсолютно новими конструкціями, які могли б ніколи не спасти на думку людині-інженеру.

Звичайно, симуляція це лише перший крок. Щоб побачити, чи можуть творіння їхнього алгоритму плавати, дослідники вибрали дві свої найкращі моделі та побудували їх за допомогою 3D-принтерів. Компоненти були виготовлені як порожні оболонки, призначені для заповнення водою, що робить їх легкими та простими для збирання навколо стандартного внутрішнього апаратного блоку.

Ця модульна трубка, спільна між конструкціями, містить двигун плавучості, зміщувач маси та електроніку керування. Перекачуючи воду всередину або назовні, планер може підніматися або опускатися. Зміщуючи внутрішню вагу вперед або назад, він регулює свій кут проходження через воду. Ці тонкі елементи керування імітують те, як справжні планери рухаються через океан без двигунів або пропелерів.

Дослідники спочатку протестували свої конструкції в аеродинамічній трубі братів Райт MIT. Симуляції та дані реального світу тісно співпадали лише близько 5 відсотків різниці в прогнозованих проти фактичних співвідношень підйомної сили до опору.

Потім вони пішли до басейну.

Два планери були протестовані: один з двома крилами, оптимізованими для 9-градусного спуску, інший з чотирма плавниками, призначеними для більш крутого 30-градусного планування. Обидва перевершили звичайний планер торпедоподібної форми. Двокрила модель досягла співвідношення підйомної сили до опору 2,5. Для порівняння, стандартна рукотворна конструкція, протестована в попередніх дослідженнях, досягла лише 0,3.

«З вищими співвідношеннями підйомної сили до опору, ніж їхні аналоги, обидві машини, керовані штучним інтелектом, витрачали менше енергії, подібно до невимушених способів, якими морські тварини навігують океанами», написала команда.

Автономні планери стали важливими інструментами в сучасній океанографії. Вони збирають довгострокові дані про солоність, температуру та течії, іноді подорожуючи тисячі миль без потреби у зовнішньому живленні. Підвищення ефективності цих апаратів означає більше даних, довші місії та менші витрати.

Але команда не зупиняється на цьому. Одним з викликів, сказав Чен, є те, що поточна система проектування має труднощі з дуже тонкими геометріями щось, що могло б розблокувати ще більш ефективні форми. Вони також працюють над зменшенням розриву між симуляцією та реальністю. Невеликі недосконалості поверхні та механічні компоненти, такі як отвори для затоплення та гвинти, можуть впливати на продуктивність у реальному світі способами, які симуляції не завжди фіксують.

«Планер не працює так ефективно в реальності, як це було змодельовано в симуляції», зазначили автори у своїй дослідницькій роботі. «Ми приписуємо цей розрив в першу чергу силам тертя, викликаним поверхневими напруженнями зсуву деталей поверхні в реальних виготовлених оболонках планера».

Щоб вирішити це, вони сподіваються включити ці дрібномасштабні фактори в майбутні версії симуляції. Вони також хочуть будувати планери, які можуть краще реагувати на зміни в їхньому середовищі важливий крок, якщо вони мають навігувати відкритими морями, а не лише контрольованими резервуарами.

Зрештою, ця структура проектування могла б стати готовим рішенням для океанографів. Уявіть інтерфейс, де вчений вказує місію глибину, діапазон, тривалість і штучний інтелект відповідає спеціально розробленим планером, який можна надрукувати та готовий до запуску.

З початку 2000-х років підводні планери, такі як Slocum та Seaglider, стали основними елементами океанічних досліджень. Але їхні форми залишалися переважно статичними циліндричними, консервативними, знайомими.

Ця робота знаменує відхід від цієї лінії. Справа не лише в тому, щоб зробити планери швидшими або дешевшими. Справа в створенні форм, які раніше були неуявними форм, натхненних біологією або інженерією, а також власною еволюціонуючою інтуїцією машини щодо фізики.