それほど単純な機械ではない: 学習する素材の暗号を解く(Not so simple machines: Cracking the code for materials that can learn)

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2024-12-09 ミシガン大学

ミシガン大学の物理学者チームは、機械的ニューラルネットワーク(MNN)と呼ばれる格子構造を「訓練」し、特定のタスクを学習させるアルゴリズムを開発しました。このアルゴリズムは、バックプロパゲーションと呼ばれる手法に基づいており、従来はデジタルや光学システムでの学習に使用されてきました。研究チームは、この手法を用いてMNNがアヤメの種別識別などの問題を解決できることを示しました。将来的には、風況に応じて形状を最適化する航空機の翼など、人間やコンピューターの介入なしに問題解決が可能な構造物の設計が期待されています。この研究は、物理システムにおける学習の理解を深めるだけでなく、生物学的な学習メカニズムの解明にも寄与する可能性があります。

<関連情報>

タスク学習のためのオールメカニカル・ニューラル・ネットワークのその場バックプロパゲーションによるトレーニング Training all-mechanical neural networks for task learning through in situ backpropagation

Shuaifeng Li & Xiaoming Mao
Nature Communications  Published:09 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-54849-z

それほど単純な機械ではない: 学習する素材の暗号を解く(Not so simple machines: Cracking the code for materials that can learn)

Abstract

Recent advances unveiled physical neural networks as promising machine learning platforms, offering faster and more energy-efficient information processing. Compared with extensively-studied optical neural networks, the development of mechanical neural networks remains nascent and faces significant challenges, including heavy computational demands and learning with approximate gradients. Here, we introduce the mechanical analogue of in situ backpropagation to enable highly efficient training of mechanical neural networks. We theoretically prove that the exact gradient can be obtained locally, enabling learning through the immediate vicinity, and we experimentally demonstrate this backpropagation to obtain gradient with high precision. With the gradient information, we showcase the successful training of networks in simulations for behavior learning and machine learning tasks, achieving high accuracy in experiments of regression and classification. Furthermore, we present the retrainability of networks involving task-switching and damage, demonstrating the resilience. Our findings, which integrate the theory for training mechanical neural networks and experimental and numerical validations, pave the way for mechanical machine learning hardware and autonomous self-learning material systems.

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