研究人员开发了一种可以学习玩Pong游戏的水凝胶，这表明即使是简单的材料也能表现出类似于生命系统的适应性行为。
这项由雷丁大学 (University of Reading) 的Yoshikatsu Hayashi博士领导的研究还表明，类似的水凝胶可以模仿心肌组织，可能为心律失常的研究提供新的途径，并减少医学研究中的动物实验。
在今日（8月22日）发表在《细胞报告·物理科学》上的一项研究中，由Yoshikatsu Hayashi博士领导的一个团队表明，一种简单的水凝胶——一种柔软、灵活的材料——可以学会玩20世纪70年代的简单电脑游戏《Pong》。水凝胶通过定制的多电极阵列与经典游戏的计算机模拟进行交互，随着时间的推移，其性能逐渐提高。
简单材料的适应性行为
雷丁大学生物科学学院生物医学工程师林博士说：“我们的研究表明，即使是非常简单的材料也能表现出复杂的、适应性行为，这些行为通常与生命系统或复杂的人工智能相关。”
“这为开发能够学习和适应环境的新型‘智能’材料开辟了令人兴奋的可能性。”
8月23日，研究人员在《细胞报告物理科学》杂志上发表报告称，非生物水凝胶可以玩电子游戏《Pong》，并随着经验的增加提高游戏水平。研究人员将水凝胶连接到虚拟游戏环境中，然后在水凝胶内部的带电粒子分布所编码的桨和由电刺激编码的球的位置之间应用反馈回路。经过练习，水凝胶的准确度提高了10%，从而延长了回合时间。研究人员表示，这证明了非生物材料能够利用“记忆”来更新它们对环境的理解，但还需要更多的研究才能说水凝胶可以“学习”。图片来源：《细胞报告物理科学》/Strong等。
水凝胶中的学习机制
这种突现的学习行为被认为是由于水凝胶内带电粒子在电刺激下移动，从而在材料本身内部产生了一种“记忆”形式。
“离子水凝胶可以实现与更复杂的神经网络相同的记忆机制，”第一作者、雷丁大学的机器人工程师文森特·斯特朗说。“我们证明了水凝胶不仅能够玩Pong游戏，而且随着时间的推移，它们实际上会越玩越好。”
研究人员受到之前研究的启发，该研究表明，如果以提供其性能反馈的方式对培养皿中的脑细胞进行电刺激，它们就可以学会玩乒乓球游戏。
“我们的论文解决了这样一个问题，即简单的人造系统是否能计算出类似于我们大脑控制我们身体所需的反馈回路的闭环，”该研究的通讯作者 Hayashi 博士说。
神经元和水凝胶的基本原理是离子迁移和分布可以发挥记忆功能，该功能可以与Pong世界中的感觉运动回路相关联。在神经元中，离子在细胞内运行。在凝胶中，它们在细胞外运行。”
水凝胶与人工智能
因为大多数现有的AI算法都源自神经网络，研究人员说，水凝胶代表了另一种“智能”，可用于开发新的、更简单的算法。今后，研究人员计划通过检查水凝胶的记忆机制以及测试其执行其他任务的能力，来进一步探索水凝胶的“记忆”。
击败凝胶模仿心肌组织
在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项相关研究中，Hayashi博士的团队与雷丁大学的同事Zuowei Wang博士和Nandini Vasudevan博士一起，展示了如何教授不同的水凝胶材料按照外部起搏器的节奏跳动。这是首次使用除活细胞以外的材料实现这一目标。
用水凝胶探索心脏心律失常
研究人员展示了水凝胶材料如何在化学和机械上振荡，这与心肌细胞协同收缩的方式非常相似。他们对这些动态行为提供了理论解释。
研究人员发现，通过向凝胶施加循环压缩，他们可以将凝胶的化学振荡与机械节奏同步。即使在机械起搏器停止后，凝胶仍然保留这种同步跳动的记忆。
“这是开发心肌模型的重要一步，该模型有一天可能会用于研究人体内心脏机械信号和化学信号的相互作用，”林博士说。“它为使用这些化学驱动的凝胶模型来替代心脏研究中的某些动物实验开辟了令人兴奋的可能性。”
该研究的主要作者图德·盖赫-赫茨格博士表示，这些发现可能为心律失常的研究提供新方法，心律失常是指心脏跳动过快、过慢或不规则，影响了英国200多万人。
她说：“心跳不规律可以通过药物或电子起搏器来管理，但生物心脏细胞的复杂性使得很难独立研究心脏中的化学和电系统之外的潜在机械系统。
“我们的发现可能会导致心律失常的新发现和潜在治疗方法，并将有助于我们了解未来如何使用人工材料代替动物和生物组织进行研究和治疗。”
更广泛的含义和未来方向
这些研究横跨神经科学、物理学、材料科学和心脏研究的各种概念，表明生命系统中学习和适应的基本原理可能比先前认为的更具有普遍性。
研究团队认为，他们的发现可能对从软体机器人和假肢到环境传感和自适应材料等多个领域产生深远的影响。未来的工作将集中在开发更复杂的行为和探索潜在的实际应用上，包括开发替代实验室模型以推进心脏研究和减少医学研究中对动物的使用。
参考：Strong、Holderbaum和Hayashi于2024年8月22日在《细胞报告物理科学》上发表的《模拟游戏环境中，电活性聚合物水凝胶表现出突现记忆》。DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102151
这两个项目都得到了工程和物理科学研究委员会的资金支持。
