Designar smarta partiklar med naturen som inspiration

Möjligheterna tycks närmast svindlande. Genom att kombinera maskininlärning med aktiv materia öppnar sig en ny värld.
– Det här är mycket fascinerande. De två områdena är intressanta var och en för sig, men genom att föra dem samman kommer vi att kunna ta hjälp av artificiell intelligens för att lösa både fysiska och medicinska problem, säger Giovanni Volpe, docent i fysik vid Göteborgs universitet.
– Vår vision med det här projektet är att designa smarta, konstgjorda partiklar som kan ta sig fram på egen hand, känna av sin omgivning och som kan samarbeta i grupp, berättar han.

Så vad ska då dessa konstgjorda ”organismer” kunna göra i framtiden? Jo, det kan handla om allt från att skapa robotar som kan samarbeta för att rensa upp i ett katastrofområde till att designa målsökande, mikroskopiska partiklar som till exempel kan bryta ner oljespill, sanera föroreningar i marken eller leverera en läkemedelsmolekyl till precis rätt cell i kroppen.

– En annan aspekt är att om vi lyckas skapa mikroskopiska system som kan lösa intelligenta uppgifter på egen hand så kommer vi att spara mycket energi. Energiförbrukningen är faktiskt det största problemet och den största utmaningen just nu, det kostar exempelvis enorma summor att köra AI-algoritmer.

Men det är en bit kvar innan allt detta blir verklighet.

Nyligen fick Giovanni Volpe och hans forskargrupp ett anslag på 37 miljoner kronor av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse för projektet ”Active matter goes smart”.
– Det är bra att stiftelsen satsar på grundforskning, oftast är det tillämpad forskning som premieras. Men grundforskningen är så viktig. Många uppfinningar hade aldrig kommit till utan grundforskning, till exempel transistorn, solceller och optiska fibrer, säger han.

Så vad Giovanni Volpe och hans kollegor kommer att komma fram till är ännu ovisst. Klart är dock att forskargruppen ska använda naturen som inspiration för att designa de smarta partiklarna.

I ett första steg kommer de att studera kollektiva beteenden hos exempelvis bakterier och plankton och försöka förstå hur deras sätt att simma i flock, för att hitta föda eller undvika att bli uppätna, fungerar. De här levande organismerna kan både känna av sin omgivning och reagera på den.

Det andra steget är att försöka kopiera detta kollektiva flockbeteende och överföra det till de artificiella partiklarna. Utmaningen är att göra partiklarna tillräckligt smarta.
– Bakterier är mycket smartare än de partiklar vi kan tillverka i laboratoriet idag, säger Giovanni Volpe. De konstgjorda partiklarna har oftast bara en enkel mekanism för att ta sig fram. I vårt nya projekt vill vi nu göra dem så smarta att de också ska kunna analysera och navigera i sin omgivning genom att till exempel känna av dess temperatur eller kemiska sammansättning.

Att kombinera forskning i aktiv materia med forskning i maskininlärning är helt nytt. Giovanni Volpe har själv sina rötter inom aktiv materia men fick upp ögonen för artificiell intelligens och började studera ämnet för två år sedan. Detta har gjort att han och hans forskargrupp ligger i framkant inom detta nya, spirande forskningsfält. I september i år var han med och arrangerade den första forskningskonferensen någonsin inom aktiv materia och artificiell intelligens i Lausanne, Schweiz.
– Intresset var mycket stort. Det kom forskare från hela världen, berättar Giovanni Volpe. Det här forskningsfältet växer och det växer fort.

Han menar att det är viktigt att samla auktoriteter inom fältet för att byta erfarenheter. Samtidigt finns också ett inslag av tävling och hemlighetsmakeri.
– Jag förväntar mig lite tävling mellan oss forskare världen över. Det är roligt och det är det som driver mig.