水凝胶靠“记忆”玩乒乓球
发布时间: 2024-08-26 08:20:19
英国科学家在一项研究中用非生物水凝胶玩电子游戏乒乓球，并通过更多的经验来提高其游戏技巧。研究人员将水凝胶连接到虚拟游戏环境中，然后在水凝胶的球拍（由水凝胶内带电粒子的分布编码）和球（由电刺激编码）之间应用反馈回路。经过练习，水凝胶的击球准确度提高了10%，从而延长了反弹时间。研究人员说，这证明了非生物材料能使用“记忆”来更新对环境的理解能力，但在证实水凝胶可以“学习”之前还需要进行更多的研究。相关研究8月22日发表于《细胞报告物理科学》。
“离子水凝胶可以实现与复杂神经网络相同的记忆机制。”论文第一作者、英国雷丁大学机器人工程师Vincent Strong说，“我们证明了水凝胶不仅可以玩乒乓球，而且随着时间的推移，它们能玩得更好。”
研究人员的灵感来自之前的一项研究，即如果在某种程度上对培养皿中的脑细胞进行电刺激，并对其表现给予反馈，它们就能学会玩乒乓球。
“我们的论文解决了一个问题，即简单的人工系统是否可以计算出，类似让大脑控制身体的反馈回路闭环。神经元和水凝胶的基本原理是，离子迁移和分布可以作为一种记忆功能，与乒乓球中的感觉—运动回路相关。在神经元中，离子在细胞内流动；在凝胶中，它们又会跑到外面。”通讯作者、雷丁大学生物医学工程师Yoshikatsu Hayashi说。
水凝胶是一种复杂的聚合物，水合时会变成果冻状——明胶和琼脂就是天然的例子。这里，研究人员使用了一种“电活性聚合物”，这意味着水凝胶可以对电刺激做出反应，这要归功于聚合物基质周围介质中离子（带电粒子）的存在。当水凝胶受到电刺激时，离子移动，拖着水分子一起移动，这种运动导致水凝胶暂时改变形状。
“水凝胶回弹所需要的时间比膨胀要长得多，这意味着离子的下一个运动受到之前运动的影响，这有点像记忆的发生。”Strong说，“水凝胶中离子的持续重排是基于水凝胶中先前的重排，并继续回到它最初状态，离子分布均匀。”
为了测试水凝胶的物理“记忆”能否让它玩乒乓球，研究人员使用电极将水凝胶连接到虚拟游戏环境中，并通过向随机方向发送球来启动游戏。他们使用电刺激来告诉水凝胶球的位置，并通过测量水凝胶中离子的运动来确定球拍的位置。
随着乒乓球游戏的进行，研究人员测量了凝胶的命中率，并检查了其准确性是否有所提高。他们发现，经验越丰富，水凝胶就能够更频繁地击球。神经元在大约10分钟内就展现出高水平技能，而水凝胶花了将近20分钟才达到最佳水平。
“随着时间的推移，当球移动时，凝胶的运动模式会随时间积累并优化。然后球拍移动以适应模拟环境中的球。”Strong说，“随着时间的推移，离子的运动方式会映射出所有运动的记忆，这种‘记忆’会提高击球表现。”
由于大多数现有的人工智能算法都来自神经网络，研究人员表示，水凝胶代表了一种不同的“智能”，可以用来开发新的、更简单的算法。在未来，研究人员计划通过检查其“记忆”背后的机制和测试其执行其他任务的能力来进一步探索水凝胶的“记忆”。
“后续，我们将考虑如何提取相关算法。”雷丁大学的合著者William Holderbaum说。Strong说：“我们已经证明水凝胶中出现了‘记忆’，未来将进一步研究以明确是否发生了学习过程。”
相关论文信息：
http://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151
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