人工智能与外骨骼未来有望联手改变人类在地球和太空中的表现

人工智能与外骨骼未来有望联手改变人类在地球和太空中的表现一种用于外骨骼的新型人工智能控制器无需特定编程就能学习人类的不同动作，该控制器已证明可节省大量能源，标志着可穿戴机器人技术向前迈出了一大步。想象一下，工厂工人和宇航员可以更安全、更高效地行动，残疾人的行动能力也会得到改善。6月12日，《自然》（Nature）杂志发表了一项新的研究成果。《自然》（Nature）论文的第一作者、安伯里德尔航空大学的罗淑珍博士（Dr.ShuzhenLuo）与通讯作者、北卡罗来纳州立大学的苏浩博士（Dr.HaoSu）及其他同事解释说，这种可穿戴的人体机器人框架被称为"外骨骼"（exoskeletons），有望让人更轻松地行动，但技术障碍限制了其更广泛的应用。罗指出，迄今为止，外骨骼必须根据特定活动和个人预先编程，并基于冗长、昂贵、劳动密集型的人体试验。研究人员开发了一个由208块肌肉组成的全身肌肉骨骼人体模型（左上），以及一个定制的髋关节外骨骼（左下），然后利用人工智能模拟了多种活动（中间），最后将学习到的控制器部署到人体受试者身上。资料来源：《自然》杂志，Luo等人，图2。现在，研究人员描述了一种超级智能或"学习型"控制器，它利用数据密集型人工智能（AI）和计算机模拟来训练便携式机器人外骨骼。"这种新型控制器可为行走、跑步或爬楼梯提供平稳、持续的扭矩辅助，而无需任何人工参与的测试，"罗报告说。"只需在图形处理单元上运行一次，我们就能在模拟中训练控制法则或"政策"，这样控制器就能有效地辅助所有三种活动和不同的人。"安博里德尔航空大学的罗淑珍博士（右）在一次内部海报展示中讨论了她对人工智能驱动的机器人外骨骼的研究，她的研究成果于2024年6月12日刊登在《自然》杂志上。图片来源：Embry-Riddle/DavidMassey在三个相互连接的多层神经网络的驱动下，控制器边学边用--通过"数百万次的肌肉骨骼模拟进化，以提高人类的活动能力"，佛罗里达州戴托纳海滩安博里德尔大学机械工程系助理教授罗博士解释说。这个无需实验的"模拟学习"框架部署在一个定制的髋关节外骨骼上，产生了迄今为止便携式髋关节外骨骼最高的代谢率降低效果--佩戴者在行走、跑步和爬楼梯时的能量消耗平均分别降低了24.3%、13.1%和15.4%。北卡罗来纳州立大学的苏浩解释说，这些能耗降低率是通过比较穿戴和不穿戴机器人外骨骼的人类受试者的表现计算出来的。这意味着它能真实地衡量外骨骼节省了多少能量。这项工作实质上是将科幻小说变为现实--让人们在执行各种任务时消耗更少的能量。据信，这种方法首次证明了在仿真中开发控制器的可行性，这种控制器可以弥合所谓的从仿真到现实或"从仿真到现实的差距"，同时显著提高人类的性能。"以往在强化学习方面取得的成就往往主要集中在模拟和棋盘游戏上，"罗淑珍说，"而我们提出了一种新方法--即一种动态感知、数据驱动的强化学习方式，来训练和控制可穿戴机器人，让人类直接受益。"苏浩补充说，"该框架"可为快速、广泛地为健全人和行动不便的人部署各种辅助机器人提供可推广、可扩展的战略。研究人员在《自然》杂志上解释说，如前所述，外骨骼传统上需要根据耗时的人体测试来手工制定控制法则，以处理每项活动并考虑个体步态的差异。模拟学习法为这些障碍提供了可能的解决方案。由此产生的"动态感知、数据驱动的强化学习方法大大加快了外骨骼在现实世界中的应用。闭环模拟结合了外骨骼控制器和肌肉骨骼动力学、人机交互和肌肉反应的物理模型，以生成高效、逼真的数据。这样，控制策略就能在模拟中不断发展或学习。"我们的方法为可穿戴机器人控制器开发的交钥匙解决方案奠定了基础，"罗淑珍说。未来的研究将侧重于独特的步态，如行走、跑步或爬楼梯，以帮助中风、骨关节炎、脑瘫等残疾人以及截肢者。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434890.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434890.htm

麻省理工学院的人工智能系统可通过表面观察来揭示材料的内部结构

麻省理工学院的人工智能系统可通过表面观察来揭示材料的内部结构通常我们无法从封面上看完一本书，但是根据麻省理工学院的研究人员，你现在可能能够对各种材料做同样的检查，从飞机零件到医疗植入物。他们的新方法使工程师们能够仅仅通过观察材料表面的属性来弄清楚内部发生了什么。该团队使用一种被称为深度学习的机器学习来比较关于材料的外部力场和相应的内部结构的大量模拟数据，并利用这些数据生成一个能够从表面数据对内部进行可靠预测的系统。该成果发表在《先进材料》杂志上，由博士生杨振泽和土木与环境工程教授MarkusBuehler撰写的论文。"这是工程中一个非常常见的问题，"Buehler解释说。"如果你有一块材料--也许是汽车上的一扇门或飞机上的一块--你想知道该材料的内部情况，你可能会通过拍摄图像和计算有多少变形来测量表面的应变情况。但你不能真正看清材料的内部。你唯一能做的是通过切割它，然后看里面，观察里面是否有任何形式的损坏。"新方法的一个潜在应用是无损检测；例如，你不再需要打开一个金属管道就可以检测缺陷。他说："使用X射线和其他技术也是可能的，但这些往往是昂贵的，需要笨重的设备。因此，我们所做的基本上是提出了一个问题：我们能不能开发一种人工智能算法，可以看看表面发生了什么，我们可以很容易地使用显微镜或拍照看到，或者也许只是测量材料表面的东西，然后试图弄清楚内部实际发生了什么？这种内部信息可能包括材料中的任何损坏、裂缝或应力，或其内部微观结构的细节。"他补充说，同样的问题也可以适用于生物组织。"那里是否有疾病，或者组织中的某种生长或变化？我们的目标是开发一个能够以完全无创的方式回答这类问题的系统。"Buehler说，实现这一目标需要解决复杂的问题，包括"许多这样的问题有多种解决方案"这一事实。例如，许多不同的内部配置可能表现出相同的表面特性。为了处理这种模糊性，"我们创造了一些方法，可以给我们提供所有的可能性，所有的选择，基本上，可能会导致这种特定的[表面]情况。"他们开发的技术涉及使用关于表面测量和与之相关的内部属性的大量数据训练一个人工智能模型。这不仅包括统一的材料，还包括不同材料组合的材料。"一些新的飞机是由复合材料制成的，所以它们有刻意的设计，有不同的阶段，"Buehler说。"当然，在生物学中也是如此，任何一种生物材料都是由多种成分组成的，它们具有非常不同的特性，比如在骨骼中，你有非常柔软的蛋白质，然后你有非常坚硬的矿物物质。"这种技术甚至对那些复杂程度不完全了解的材料也有效。"对于复杂的生物组织，我们并不确切了解它的行为方式，但我们可以测量其行为。我们没有这方面的理论，但如果我们有足够的数据收集，我们可以训练模型。"其开发的观察方法是广泛适用的。"它不仅仅局限于固体力学问题，还可以应用于不同的工程学科，如流体力学和其他类型。"Buehler补充说，它可以应用于确定各种属性，不仅仅是应力和应变，还有流体场或磁场，例如聚变反应堆内的磁场。它"非常通用，不仅适用于不同的材料，也适用于不同的学科"。最初开始考虑这种方法时是在研究一种材料的数据时，他们所使用的部分图像是模糊的，研究人员想知道如何可能"填补"模糊区域的缺失数据的空白。"我们如何才能恢复这些缺失的信息？"进一步研究后，发现这通常会是一个普遍存在的问题的例子，被称为逆向问题，即试图恢复缺失的信息。开发该方法涉及一个迭代过程，让模型进行初步预测，与有关材料的实际数据进行比较，然后进一步微调模型以匹配这些信息。由此产生的模型针对那些对材料有足够了解从而能够计算出真正的内部属性的情况进行了测试，新方法的预测与这些计算出的属性相吻合。训练数据包括表面的图像，但也包括各种其他类型的表面属性测量，包括应力、电场和磁场。在许多情况下，研究人员根据对特定材料的基本结构的理解，使用模拟数据。而且，即使当一种新材料有许多未知的特性时，该方法仍然可以产生一个近似值，足以为工程师提供一个大方向的指导，即如何进行进一步测量。作为如何应用这种方法的一个例子，Buehler指出，今天，飞机经常通过用昂贵的方法（如X射线）测试一些有代表性的区域来进行检查，因为测试整架飞机是不现实的。"这是一种不同的方法，你有一种成本更低的方法来收集数据并进行预测，"Buehler说。"从中你可以做出决定，你想去哪里看，也许会使用更昂贵的设备来测试。"这种通过GitHub网站免费提供给任何人使用的方法将主要应用于实验室环境，例如测试用于软机器人应用的材料。对于这类材料，他说："我们可以测量表面的东西，但我们不知道材料内部发生了什么，因为它是由水凝胶或蛋白质或生物材料制成的执行器，而且没有这方面的理论。因此，这是一个研究人员可以利用我们的技术对内部情况进行预测的领域，也许可以设计出更好的抓取器或更好的复合材料，"他补充说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1361719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1361719.htm

研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带"

研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带"压电材料在施加机械应力时会产生电荷。骨骼就是一种压电材料。由于骨具有电微环境，电信号在骨修复过程中发挥着重要作用，可有效促进骨再生。然而，骨再生是一个复杂的过程，依赖于机械、电气和生物成分。目前的骨再生策略，如释放生长因子的移植物或支架，都有其局限性，如供体部位的并发症、有限的可用性和高昂的成本。现在，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出了一种开创性的骨再生方法，它将压电和一种天然存在于骨骼中的矿物质结合在一起。羟基磷灰石（HAp）是骨骼和牙齿中的一种矿物质，在骨骼结构强度和再生中发挥作用。它通常被添加到牙膏中，用于重新矿化牙釉质和强化牙齿。研究发现，HAp能促进成骨（骨形成），为新骨生长提供支架。它还具有压电特性和粗糙的表面，是制作骨生长支架的理想材料。因此，研究人员制作了一个独立的仿生物支架，将HAp集成到聚合物薄膜聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）的压电框架中。这种独立的支架在施加压力时会产生电信号，这使得这种方法有别于以往将HAp和P(VDF-TrFE)结合在一起的研究，后者仅限于金属假体的涂层。他们说，研究人员的新方法为骨再生提供了一个多功能平台，超越了表面结合应用。对含有和不含HAp的支架进行体外比较后发现，HAp支架上的细胞附着率要高出10%至15%。细胞培养五天后，HAp支架上的细胞增殖率提高了20%至30%，成骨水平提高了约30%至40%。研究结果表明，HAp最大限度地提高了支架的压电特性，并创造了一种类似于人体细胞外基质的环境，细胞外基质是所有组织的非细胞成分，它提供了组织再生所需的基本物理结构和重要线索。(d）显微CT图像显示使用不同支架的小鼠头骨的骨再生情况；（e）支架植入后2、4和6周的骨量和面积Joo等人研究人员随后在小鼠身上测试了他们的HAp/P(VDF-TrFE)支架，将其置于动物头骨（小腿骨）的缺损处。支架维持了六周，没有发生变形。所有小鼠都存活了下来；没有观察到任何不良反应，包括感染或炎症反应。植入两周、四周和六周后，与对照组没有骨形成相比，安装了HAp支架的小鼠的骨再生能力明显增强。该研究的通讯作者之一SeungbumHong说："我们开发出了一种基于HAp的压电复合材料，它可以像'骨绷带'一样加速骨再生。这项研究不仅为生物材料的设计提出了新的方向，而且在探索压电性和表面特性对骨再生的影响方面也具有重要意义。"这项研究发表在《ACS应用材料与界面》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415739.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415739.htm

磁铁的魔力 - 人工智能如何革新材料发现的方式

磁铁的魔力-人工智能如何革新材料发现的方式艾姆斯国家实验室（AmesNationalLaboratory）的科学家们设计出一种机器学习模型，可以在不使用稀缺元素的情况下预测新型磁体材料。这种以材料居里温度为重点的创新方法为未来的技术应用提供了一条更具可持续性的道路。高性能磁体的重要性高性能磁体对于风能、数据存储、电动汽车和磁制冷等技术至关重要。这些磁体包含钴和稀土元素（如钕和镝）等关键材料。这些材料需求量大，但供应有限。这种情况促使研究人员想方设法设计出减少关键材料的新型磁性材料。磁铁照片资料来源：美国能源部埃姆斯国家实验室机器学习的作用机器学习（ML）是人工智能的一种形式。它由计算机算法驱动，利用数据和试错算法不断改进预测结果。研究小组利用居里温度的实验数据和理论建模来训练ML算法。居里温度是材料保持磁性的最高温度。"找到居里温度高的化合物是发现能在高温下保持磁性的材料的重要第一步，"艾姆斯实验室科学家、研究团队高级负责人雅罗斯拉夫-穆德里克（YaroslavMudryk）说。"这方面不仅对永磁体的设计至关重要，而且对其他功能磁性材料的设计也至关重要。"穆德里克认为，发现新材料是一项具有挑战性的活动，因为传统上是通过实验来寻找新材料，这既昂贵又耗时。然而，使用ML方法可以节省时间和资源。艾姆斯实验室科学家、研究小组成员普拉桑特-辛格（PrashantSingh）解释说，这项工作的主要部分是利用基础科学开发一个ML模型。研究小组利用实验已知的磁性材料训练他们的ML模型。这些材料的相关信息确定了若干电子和原子结构特征与居里温度之间的关系。这些模式为计算机寻找潜在候选材料提供了基础。模型测试和验证为了验证模型，研究小组使用了基于铈、锆和铁的化合物。这个想法是由艾姆斯实验室的科学家、研究小组成员安德烈-帕拉修克（AndriyPalasyuk）提出的。他希望重点研究基于地球丰富元素的未知磁体材料。帕拉修克说："下一个超级磁铁不仅要性能卓越，还要依赖丰富的国产元件。"帕拉修克与艾姆斯实验室的另一位科学家、研究小组成员泰勒-德尔-罗斯（TylerDelRose）合作，对合金进行了合成和表征。他们发现，ML模型成功地预测了候选材料的居里温度。这一成功是为未来技术应用设计新型永磁体的高通量方法迈出的重要的第一步。辛格说："我们正在为可持续发展的未来编写物理信息机器学习。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382473.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382473.htm

韩国科学家研制出治疗骨骼破裂的新型“骨绷带”材料

韩国科学家研制出治疗骨骼破裂的新型“骨绷带”材料骨再生是一个复杂的过程，目前促进骨再生的方法，如移植物和应用生长因子，都面临着费用增加等挑战。然而，随着一种能够促进骨组织发育的压电材料的问世，这一研究取得了突破性进展。由材料科学与工程系（DMSE）SeungbumHong教授领导的KAIST研究小组于1月25日宣布，利用羟基磷灰石（HAp）独特的成骨能力，开发出了一种生物仿生支架，可在施加压力时产生电信号。这项研究是与全南国立大学聚合生物系统工程系的JanghoKim教授领导的团队合作进行的。HAp是一种存在于骨骼和牙齿中的基本磷酸钙物质。这种具有生物相容性的矿物质还具有防止蛀牙的作用，常用于牙膏中。骨再生领域的突破以往关于压电支架的研究证实了压电性在促进骨再生和改善各种聚合物基材料的骨融合方面的作用，但在模拟最佳骨组织再生所需的复杂细胞环境方面受到限制。然而，这项研究提出了一种新方法，利用HAp独特的成骨能力来开发一种模拟活体骨组织环境的材料。压电和地形生物仿生支架的设计和表征。(a)通过加入HAp的P（VDF-TrFE）支架提供的电学和地形学线索增强骨再生机制的示意图。(b)制作过程示意图。资料来源：KAIST材料成像与集成实验室研究小组开发了一种将HAp与聚合物薄膜融合在一起的制造工艺。通过对大鼠进行体外和体内实验，该工艺开发出的柔性独立支架在促进骨再生方面具有显著的潜力。了解骨再生原理研究小组还确定了其支架所依据的骨再生原理。他们利用原子力显微镜（AFM）分析了支架的电特性，并评估了与细胞形状和细胞骨骼蛋白形成有关的详细表面特性。他们还研究了压电性和表面特性对生长因子表达的影响。韩国科学技术院DMSE的Hong教授说："我们开发出了一种基于HAp的压电复合材料，它可以像'骨绷带'一样加速骨再生。他补充说："这项研究不仅为生物材料的设计提出了新的方向，而且在探索压电性和表面特性对骨再生的影响方面也具有重要意义。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418833.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418833.htm

上海大学科研团队实现骨类器官 1.0 版制备 有望为骨科手术带来一场革命

上海大学科研团队实现骨类器官1.0版制备有望为骨科手术带来一场革命据解放日报，近日，上海大学苏佳灿教授团队牵头完成的最新成果登上国际权威期刊《先进材料》，介绍了“骨类器官”体外制备成果。这个科研团队已实现骨类器官1.0版制备，未来计划完成版本迭代，应用于骨科手术。上海大学转化医学研究院院长苏佳灿介绍，所谓类器官，是利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维培养，所形成的具备一定空间结构的组织类似物。类器官的“类”字意味着它并不是真的人体器官，但可以在结构与功能上模拟真实的器官，并能进行长期稳定的传代培养。