乒乓神童水凝胶材料展现出意想不到的学习能力

在8月22日发表于《细胞报告物理科学》的一项研究中，YoshikatsuHayashi博士领导的研究小组证明，一种简单的水凝胶(一种柔软、有弹性的材料)可以学会玩20世纪70年代的简单电脑游戏“Pong”。这种水凝胶通过定制的多电极阵列与经典游戏的计算机模拟相连接，随着时间的推移，其性能有所提高。

雷丁大学生物科学学院生物医学工程师Hayashi博士表示：“我们的研究表明，即使是非常简单的材料也能表现出通常与生命系统或复杂人工智能相关的复杂适应性行为。

“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。”

这种新兴的学习行为被认为是由水凝胶中带电粒子在电刺激下的运动引起的，从而在材料本身中形成了某种形式的“记忆”。

“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，”雷丁大学的第一作者兼机器人工程师VincentStrong说道。“我们证明了水凝胶不仅能够玩乒乓球，而且随着时间的推移，它们实际上可以玩得更好。”

研究人员受到之前一项研究的启发，该研究表明，如果以某种方式对培养皿中的脑细胞进行电刺激并对其表现提供反馈，它们就能学会玩乒乓球。

“我们的论文探讨的问题是，简单的人工系统是否可以计算类似于大脑控制身体的反馈回路的闭环，”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起到记忆功能的作用，可以与乒乓球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。”

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，水凝胶代表着一种不同的“智能”，可用于开发新的、更简单的算法。未来，研究人员计划通过研究水凝胶记忆背后的机制和测试其执行其他任务的能力，进一步探索水凝胶的“记忆”。

跳动凝胶模仿心脏组织

在最近发表于《美国国家科学院院刊》的一项相关研究中，Hayashi博士的团队与雷丁大学的同事ZuoweiWang博士和NandiniVasudevan博士一起展示了如何利用外部起搏器训练不同的水凝胶材料有节奏地跳动。这是首次使用活细胞以外的材料实现这一目标。

研究人员展示了水凝胶材料如何发生化学和机械振动，就像心肌细胞同步收缩一样。他们对这些动态行为提供了理论解释。

研究人员发现，通过对凝胶施加周期性压缩，他们可以使其化学振荡与机械节律同步。即使在机械起搏器停止后，凝胶仍保留了这种同步跳动的记忆。

Hayashi博士说：“这是朝着开发心肌模型迈出的重要一步，将来也许可以用于研究人体心脏中机械和化学信号的相互作用。它为用这些化学驱动的凝胶模型取代心脏研究中的一些动物实验开辟了令人兴奋的可能性。”

这项研究的主要作者TundeGeher-Herczegh博士表示，这一发现可能为研究心律失常提供新方法。心律失常是一种心跳过快、过慢或不规律的疾病，影响着英国超过200万人。

她说：“心律不齐可以用药物或电起搏器来治疗，但生物心脏细胞的复杂性使其很难独立于心脏的化学和电系统来研究其底层机械系统。

“我们的发现可能带来心律失常的新发现和潜在治疗方法，并将有助于我们了解如何使用人工材料代替动物和生物组织，用于未来的研究和治疗。”

启示和未来方向

这些研究融合了神经科学、物理学、材料科学和心脏研究的概念，表明生物系统学习和适应的基本原理可能比以前认为的更具普遍性。

研究小组相信，他们的发现可能对软机器人、假肢、环境感知和自适应材料等领域产生深远影响。

未来的工作将集中于开发更复杂的行为和探索潜在的现实世界应用，包括开发替代实验室模型以推进心脏研究并减少在医学研究中使用动物。