8月23日，研究人员在细胞出版社的《细胞报告-物理科学》杂志上报告说，非生物水凝胶可以玩电子游戏《Pong》，并通过更多的经验来提高其游戏性。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)和球的位置(由电刺激编码)之间应用反馈回路。经过练习，水凝胶的准确度提高了10%，从而延长了反弹时间。研究人员说，这证明了非生物材料使用“记忆”来更新他们对环境的理解的能力，尽管在说水凝胶可以“学习”之前还需要更多的研究。

“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可以玩Pong;随着时间的推移，他们实际上会做得更好。”

研究人员的灵感来自于之前的一项研究，该研究表明，如果在某种程度上对培养皿中的脑细胞进行电刺激，并对它们的表现给予反馈，它们就能学会玩乒乓。

雷丁大学的通讯作者、生物医学工程师Yoshikatsu Hayashi说:“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于让我们的大脑控制我们身体的反馈回路的闭环。”“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Pong世界中的感觉-运动回路相关。在神经元中，离子在细胞内流动;在凝胶中，它们跑到外面。”

水凝胶是一种复杂的聚合物，在水合作用下会变成果冻状——明胶和琼脂就是天然的例子。在这种情况下，研究人员使用了一种“电活性聚合物”，这意味着一种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。

斯特朗说:“水凝胶收缩的速度比它最初膨胀的时间要长得多，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。”“水凝胶中离子的持续重排是基于水凝胶中先前的重排，继续回到它最初制造时，离子分布均匀。”

为了测试水凝胶的物理“记忆”是否能让它玩Pong，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，并测量水凝胶中离子的运动来确定球的位置。

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，水凝胶能够更频繁地击球，从而导致更长的集会。打乒乓球的神经元在大约10分钟内就达到了最佳的球技，而水凝胶花了将近20分钟才达到最大的乒乓球潜力。

“随着时间的推移，当球移动时，凝胶会收集所有运动的记忆。然后球拍在模拟环境中移动以容纳球，”斯特朗说。“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’会提高性能。”

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”。

“在我们的后续项目中，我们正在考虑如何从水凝胶中提取允许记忆获取的算法，”雷丁大学的合著者威廉·霍尔德鲍姆说。

斯特朗说:“我们已经证明了水凝胶中出现了记忆，但下一步是看看我们是否也能明确地表明学习正在发生。”

作者：细胞出版社

链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240822125903.htm

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