水凝胶靠“记忆”玩乒乓球

中国科学报
发布时间: 2024-08-26 08:20:19 582次浏览

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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》。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

“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。”FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

“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。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

“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。”FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

“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。”FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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”。FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

“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。”FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

相关论文信息:FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

http://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151FIK知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯


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