วัสดุชนิดใหม่สามารถเรียนรู้และปรับปรุงความสามารถในการจัดการกับแรงที่ไม่คาดคิดได้ด้วยโครงสร้างขัดแตะที่เป็นเอกลักษณ์พร้อมการเชื่อมต่อของความแข็งแบบแปรผัน เช่น อธิบายไว้ในกระดาษใหม่ โดยเพื่อนร่วมงานและฉัน
วัสดุใหม่นี้เป็นวัสดุทางสถาปัตยกรรมชนิดหนึ่ง ซึ่งได้คุณสมบัติมาจากรูปทรงเรขาคณิตและลักษณะเฉพาะของการออกแบบเป็นหลัก มากกว่าสิ่งที่ทำมาจากวัสดุ ใช้ผ้าที่มีตะขอและห่วงเช่น Velcro เป็นต้น ไม่ว่าจะทำจากผ้าฝ้าย พลาสติก หรือสารอื่นๆ ตราบใดที่ด้านหนึ่งเป็นผ้าที่มีตะขอแข็งและอีกด้านหนึ่งมีห่วงนุ่ม วัสดุก็จะมีคุณสมบัติเหนียวของเวลโคร
เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันใช้สถาปัตยกรรมของวัสดุใหม่ของเราตามโครงสร้างของโครงข่ายประสาทเทียม ซึ่งเป็นชั้นของโหนดที่เชื่อมต่อถึงกันที่สามารถ เรียนรู้ที่จะทำภารกิจ โดยเปลี่ยนความสำคัญหรือน้ำหนักที่พวกเขาวางไว้ในแต่ละการเชื่อมต่อ เราตั้งสมมติฐานว่าโครงข่ายทางกลที่มีโหนดทางกายภาพสามารถฝึกให้มีคุณสมบัติทางกลบางอย่างโดยการปรับความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อแต่ละครั้ง
เพื่อหาว่าโครงตาข่ายเชิงกลจะสามารถรับและรักษาคุณสมบัติใหม่ได้หรือไม่ เช่น การสร้างรูปร่างใหม่หรือความแรงของทิศทางที่เปลี่ยนไป เราเริ่มต้นด้วยการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ จากนั้นเราเลือกรูปร่างที่ต้องการสำหรับวัสดุเช่นเดียวกับแรงป้อนเข้า และให้อัลกอริธึมคอมพิวเตอร์ปรับความตึงของข้อต่อเพื่อให้แรงป้อนเข้าสร้างรูปร่างที่ต้องการ เราทำการฝึกอบรมนี้กับโครงสร้างโครงตาข่ายที่แตกต่างกัน 200 แบบ และพบว่าโครงตาข่ายสามเหลี่ยมนั้นดีที่สุดในการบรรลุรูปร่างทั้งหมดที่เราทดสอบ
เมื่อปรับการเชื่อมต่อจำนวนมากเพื่อให้ได้ชุดของงาน เนื้อหาจะยังคงตอบสนองในลักษณะที่ต้องการ การฝึกอบรมนั้น—ในแง่หนึ่ง—จะจดจำไว้ในโครงสร้างของเนื้อหาเอง
จากนั้นเราก็สร้างโครงตาข่ายต้นแบบทางกายภาพที่มีสปริงไฟฟ้าแบบปรับได้ซึ่งจัดเรียงเป็นโครงตาข่ายสามเหลี่ยม ต้นแบบสร้างจากข้อต่อขนาด 6 นิ้ว และยาวประมาณ 2 ฟุต กว้าง 1½ ฟุต และมันก็ได้ผล เมื่อโครงข่ายและอัลกอริธึมทำงานร่วมกัน วัสดุก็สามารถเรียนรู้และเปลี่ยนรูปร่างในลักษณะเฉพาะเมื่ออยู่ภายใต้แรงที่แตกต่างกัน เราเรียกวัสดุใหม่นี้ว่าโครงข่ายประสาทเทียม
ทำไมมันสำคัญ
นอกจากบางอย่าง เนื้อเยื่อที่มีชีวิตมีวัสดุน้อยมากที่สามารถเรียนรู้ที่จะจัดการกับโหลดที่ไม่คาดคิดได้ดีขึ้น ลองนึกภาพปีกเครื่องบินที่จู่ๆ ก็โดนลมพัดมาและถูกบังคับไปในทิศทางที่ไม่คาดคิด ปีกไม่สามารถเปลี่ยนการออกแบบให้แข็งแกร่งไปในทิศทางนั้นได้
วัสดุโครงตาข่ายต้นแบบที่เราออกแบบสามารถปรับให้เข้ากับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงหรือไม่ทราบสาเหตุ ตัวอย่างเช่น ในปีก การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจเป็นการสะสมของความเสียหายภายใน การเปลี่ยนแปลงวิธีการติดปีกกับยาน หรือภาระภายนอกที่ผันผวน ทุกครั้งที่ปีกที่สร้างจากโครงข่ายประสาทเทียมประสบกับสถานการณ์เหล่านี้ ปีกจะเสริมความแข็งแกร่งและทำให้การเชื่อมต่ออ่อนลงเพื่อรักษาคุณลักษณะที่ต้องการไว้ เช่น ความแรงของทิศทาง เมื่อเวลาผ่านไป ด้วยการปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องโดยอัลกอริทึม ปีกใช้และรักษาคุณสมบัติใหม่ โดยเพิ่มพฤติกรรมแต่ละอย่างให้กับส่วนที่เหลือเสมือนเป็นหน่วยความจำของกล้ามเนื้อ
วัสดุประเภทนี้สามารถนำไปใช้ได้มากสำหรับอายุยืนและประสิทธิภาพของโครงสร้างที่สร้างขึ้น ไม่เพียงแต่ปีกที่ทำจากวัสดุโครงข่ายนิวรัลเชิงกลจะแข็งแรงขึ้นเท่านั้น แต่ยังสามารถฝึกฝนให้แปรสภาพเป็นรูปร่างที่เพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูงสุดเพื่อตอบสนองต่อสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปรอบๆ
อะไรยังไม่รู้
จนถึงตอนนี้ ทีมของเราทำงานเฉพาะกับโครงตาข่าย 2 มิติเท่านั้น แต่ด้วยการใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ เราคาดการณ์ว่าโครงตาข่าย 3 มิติจะมีความจุขนาดใหญ่กว่ามากสำหรับการเรียนรู้และการปรับตัว การเพิ่มขึ้นนี้เกิดจากการที่โครงสร้าง 3 มิติสามารถมีการเชื่อมต่อมากกว่าเดิมหลายสิบเท่า หรือสปริงที่ไม่ตัดกัน อย่างไรก็ตาม กลไกที่เราใช้ในแบบจำลองแรกของเรานั้นซับซ้อนเกินกว่าจะรองรับในโครงสร้าง 3 มิติขนาดใหญ่ได้
อะไรต่อไป
เนื้อหาที่ฉันและเพื่อนร่วมงานสร้างขึ้นเป็นการพิสูจน์แนวคิดและแสดงศักยภาพของโครงข่ายประสาทเทียมเชิงกล แต่การที่จะนำแนวคิดนี้มาสู่โลกแห่งความเป็นจริงได้นั้น จะต้องหาวิธีที่จะทำให้แต่ละชิ้นมีขนาดเล็กลงและมีคุณสมบัติที่แม่นยำในการงอและตึง
เราหวังว่าการวิจัยใหม่ใน การผลิตวัสดุในระดับไมครอน, เช่นเดียวกับการทำงานใน วัสดุใหม่ ปรับความแข็งได้จะนำไปสู่ความก้าวหน้าที่ทำให้โครงข่ายประสาทเทียมแบบกลไกอัจฉริยะอันทรงพลังที่มีองค์ประกอบระดับไมครอนและการเชื่อมต่อ 3 มิติที่หนาแน่นกลายเป็นความจริงที่แพร่หลายในอนาคตอันใกล้
บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.
เครดิตภาพ: กลุ่มวิจัยที่ยืดหยุ่นที่ UCLA
