Naukowcy opracowali hydrożel, który może nauczyć się gry w Ponga, wykazując, że nawet proste materiały mogą wykazywać zachowania adaptacyjne podobne do tych obserwowanych w żywych organizmach.
Badanie prowadzone pod kierunkiem dr Yoshikatsu Hayashi z Uniwersytetu w Reading ujawniło również, że podobne hydrożele mogą naśladować tkankę serca, potencjalnie oferując nowe możliwości badania arytmii serca i ograniczając liczbę testów na zwierzętach w badaniach medycznych.
„Hydrożelowy mózg” uczy się grać w Ponga
W badaniu opublikowanym dzisiaj (22 sierpnia) w Raporty komórkowe Nauka fizycznazespół kierowany przez dr Yoshikatsu Hayashi wykazał, że prosty hydrożel — rodzaj miękkiego, elastycznego materiału — może nauczyć się grać w prostą grę komputerową „Pong” z lat 70. XX wieku. Hydrożel, połączony z komputerową symulacją klasycznej gry za pomocą specjalnie zbudowanego układu wielu elektrod, wykazał z biegiem czasu lepszą wydajność.
Zachowania adaptacyjne prostych materiałów
Dr Hayashi, inżynier biomedyczny w Szkole Nauk Biologicznych na Uniwersytecie w Reading, powiedział: „Nasze badania pokazują, że nawet bardzo proste materiały mogą wykazywać złożone, adaptacyjne zachowania, zwykle kojarzone z żywymi systemami lub wyrafinowaną sztuczną inteligencją.
„Otwiera to ekscytujące możliwości opracowywania nowych typów „inteligentnych” materiałów, które potrafią się uczyć i dostosowywać do środowiska”.
Nieożywione hydrożele mogą grać w grę wideo Pong i ulepszać rozgrywkę dzięki większemu doświadczeniu, podają naukowcy 23 sierpnia w czasopiśmie Cell Reports Physical Science. Naukowcy podłączyli hydrożele do wirtualnego środowiska gry, a następnie zastosowali pętlę sprzężenia zwrotnego pomiędzy łopatką hydrożelu – zakodowaną przez rozkład naładowanych cząstek w hydrożelu – a pozycją piłki – zakodowaną przez stymulację elektryczną. W praktyce hydrożel dokładność poprawiła się nawet o 10%, co skutkowało dłuższymi rajdami. Naukowcy twierdzą, że pokazuje to zdolność materiałów nieożywionych do wykorzystywania „pamięci” w celu aktualizacji wiedzy o środowisku, choć potrzebne są dalsze badania, zanim będzie można stwierdzić, że hydrożele mogą się „uczyć”. Źródło: Cell Reports Physical Science/Strong i in.
Mechanizmy uczenia się w hydrożelach
Uważa się, że wyłaniające się zachowanie uczenia się wynika z ruchu naładowanych cząstek w hydrożelu w odpowiedzi na stymulację elektryczną, tworząc formę „pamięci” w samym materiale.
„Hydrożele jonowe mogą osiągnąć ten sam rodzaj mechaniki pamięci, co bardziej złożone sieci neuronowe” – mówi pierwszy autor i inżynier robotyki, Vincent Strong z Uniwersytetu w Reading. „Pokazaliśmy, że hydrożele nie tylko potrafią grać w Ponga, ale z czasem mogą stać się w tym coraz lepsi”.
Inspiracją dla naukowców było wcześniejsze badanie, które wykazało, że komórki mózgowe w naczyniu mogą nauczyć się grać w Ponga, jeśli są stymulowane elektrycznie w sposób zapewniający im informację zwrotną na temat ich wydajności.
„Nasz artykuł porusza kwestię, czy proste sztuczne systemy mogą obliczać zamknięte pętle podobne do pętli sprzężenia zwrotnego, które pozwalają naszym mózgom kontrolować nasze ciała” – powiedział dr Hayashi, korespondent z badania.
„Podstawową zasadą zarówno w neuronach, jak i hydrożelach jest to, że migracja i dystrybucja jonów może działać jako funkcja pamięci, która może korelować z pętlami czuciowo-ruchowymi w świecie Ponga. W neuronach jony przepływają w komórkach. W żelu wybiegają na zewnątrz.”
Hydrożele i sztuczna inteligencja
Ponieważ większość istniejących algorytmów sztucznej inteligencji wywodzi się z sieci neuronowych, naukowcy twierdzą, że hydrożele reprezentują inny rodzaj „inteligencji”, którą można wykorzystać do opracowania nowych, prostszych algorytmów. W przyszłości naukowcy planują dalej badać „pamięć” hydrożelu, badając mechanizmy stojące za jego pamięcią i testując jego zdolność do wykonywania innych zadań.
Ubijający żel naśladuje tkankę serca
W niedawnym powiązanym badaniu, opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences, zespół dr Hayashi wraz z kolegami z Reading, dr Zuowei Wangiem i dr Nandini Vasudevan, zademonstrował, w jaki sposób można nauczyć bicia rytmu innego materiału hydrożelowego zewnętrzny rozrusznik serca. Po raz pierwszy udało się to osiągnąć przy użyciu materiału innego niż żywe komórki.
Badanie arytmii serca za pomocą hydrożeli
Naukowcy wykazali, w jaki sposób materiał hydrożelowy oscyluje chemicznie i mechanicznie, podobnie jak zgodny skurcz komórek mięśnia sercowego. Zapewniają teoretyczną interpretację tych dynamicznych zachowań.
Naukowcy odkryli, że stosując cykliczne ściskanie żelu, można zmusić jego oscylacje chemiczne do synchronizacji z rytmem mechanicznym. Żel zachowywał pamięć o tym uderzeniu nawet po wyłączeniu mechanicznego rozrusznika serca.
„To znaczący krok w kierunku opracowania modelu mięśnia sercowego, który pewnego dnia będzie można wykorzystać do badania wzajemnego oddziaływania sygnałów mechanicznych i chemicznych w ludzkim sercu” – stwierdziła dr Hayashi. „Otwiera to ekscytujące możliwości zastąpienia niektórych eksperymentów na zwierzętach w badaniach kardiologicznych modelami żelowymi zasilanymi chemicznie”.
Główny autor badania, dr Tunde Geher-Herczegh, powiedział, że odkrycia mogą dostarczyć nowych sposobów badania arytmii serca – stanu, w którym serce bije zbyt szybko, zbyt wolno lub nieregularnie, na który cierpi ponad 2 miliony osób w Wielkiej Brytanii .
Powiedziała: „Nieregularne bicie serca można leczyć za pomocą leków lub elektrycznego rozrusznika serca, ale złożoność biologicznych komórek serca utrudnia badanie leżących u ich podstaw układów mechanicznych, niezależnie od układów chemicznych i elektrycznych serca.
„Nasze odkrycia mogą prowadzić do nowych odkryć i potencjalnych metod leczenia arytmii, a także przyczynią się do zrozumienia, w jaki sposób można w przyszłości wykorzystywać sztuczne materiały zamiast zwierząt i tkanek biologicznych do celów badań i terapii”.
Szersze implikacje i przyszłe kierunki
Badania te, łączące koncepcje z neurologii, fizyki, materiałoznawstwa i badań kardiologicznych, sugerują, że podstawowe zasady leżące u podstaw uczenia się i adaptacji w żywych układach mogą być bardziej uniwersalne, niż wcześniej sądzono.
Zespół badawczy uważa, że ich odkrycia mogą mieć daleko idące implikacje dla różnych dziedzin, od robotyki miękkiej i protetyki po wykrywanie środowiska i materiały adaptacyjne. Przyszłe prace będą skupiać się na opracowywaniu bardziej złożonych zachowań i badaniu potencjalnych zastosowań w świecie rzeczywistym, w tym na opracowywaniu alternatywnych modeli laboratoryjnych w celu usprawnienia badań kardiologicznych i ograniczenia wykorzystywania zwierząt w badaniach medycznych.
Odniesienie: „Elektroaktywne hydrożele polimerowe wykazują pamięć wschodzącą, gdy są umieszczone w symulowanym środowisku gry”, Strong, Holderbaum i Hayashi, 22 sierpnia 2024 r., Cell Reports Nauki fizyczne.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102151
Obydwa projekty otrzymały wsparcie finansowe od Rady ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi.
