Biological systems can form complex three-dimensional structures through the collective behavior of identical agents -- cells that follow the same internal rules and communicate without central control. How such distributed control gives rise to precise global patterns remains a central question not only in developmental biology but also in distributed robotics, programmable matter, and multi-agent learning. Here, we introduce DiffeoMorph, an end-to-end differentiable framework for learning a morphogenesis protocol that guides a population of agents to morph into a target 3D shape. Each agent updates its position and internal state using an attention-based SE(3)-equivariant graph neural network, based on its own internal state and signals received from other agents. To train this system, we introduce a new shape-matching loss based on the 3D Zernike polynomials, which compares the predicted and target shapes as continuous spatial distributions, not as discrete point clouds, and is invariant to agent ordering, number of agents, and rigid-body transformations. To enforce full SO(3) invariance -- invariant to rotations yet sensitive to reflections, we include an alignment step that optimally rotates the predicted Zernike spectrum to match the target before computing the loss. This results in a bilevel problem, with the inner loop optimizing a unit quaternion for the best alignment and the outer loop updating the agent model. We compute gradients through the alignment step using implicit differentiation. We perform systematic benchmarking to establish the advantages of our shape-matching loss over other standard distance metrics for shape comparison tasks. We then demonstrate that DiffeoMorph can form a range of shapes -- from simple ellipsoids to complex morphologies -- using only minimal spatial cues.


翻译:生物系统能够通过相同智能体的集体行为——遵循相同内部规则且无需中央控制即可通信的细胞——形成复杂的三维结构。这种分布式控制如何产生精确的全局模式,不仅是发育生物学的核心问题,也是分布式机器人学、可编程物质和多智能体学习领域的核心问题。本文提出DiffeoMorph,一种端到端可微分框架,用于学习引导智能体群变形为目标三维形态的形态发生协议。每个智能体基于其自身内部状态以及从其他智能体接收到的信号,使用基于注意力的SE(3)等变图神经网络更新其位置和内部状态。为训练该系统,我们引入了一种基于三维Zernike多项式的新型形状匹配损失函数,该函数将预测形状与目标形状作为连续空间分布而非离散点云进行比较,并且对智能体顺序、智能体数量和刚体变换具有不变性。为实现完全SO(3)不变性——对旋转不变但对反射敏感,我们引入了一个对齐步骤,在计算损失前将预测的Zernike谱最优旋转以匹配目标。这形成了一个双层优化问题:内层循环优化单位四元数以获得最佳对齐,外层循环更新智能体模型。我们通过隐式微分计算对齐步骤的梯度。我们进行了系统性基准测试,以证明在形状比较任务中,我们的形状匹配损失函数相较于其他标准距离度量方法的优势。随后我们证明,DiffeoMorph仅需最小空间线索即可生成从简单椭球体到复杂形态的一系列形状。

0
下载
关闭预览

相关内容

智能体,顾名思义,就是具有智能的实体,英文名是Agent。
DeepSeek模型综述:V1 V2 V3 R1-Zero
专知会员服务
116+阅读 · 2月11日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
论文浅尝 | Know-Evolve: Deep Temporal Reasoning for Dynamic KG
开放知识图谱
36+阅读 · 2018年3月30日
LibRec 每周算法:DeepFM
LibRec智能推荐
14+阅读 · 2017年11月6日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2008年12月31日
VIP会员
相关资讯
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
论文浅尝 | Know-Evolve: Deep Temporal Reasoning for Dynamic KG
开放知识图谱
36+阅读 · 2018年3月30日
LibRec 每周算法:DeepFM
LibRec智能推荐
14+阅读 · 2017年11月6日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员