水凝膠靠“記憶”玩乒乓球

英國科學家在一項研究中用非生物水凝膠玩電子游戲乒乓球，并通過更多的經驗來提高其游戲技巧。研究人員將水凝膠連接到虛擬游戲環境中，然后在水凝膠的球拍（由水凝膠內帶電粒子的分布編碼）和球（由電刺激編碼）之間應用反饋回路。經過練習，水凝膠的擊球準確度提高了10%，從而延長了反彈時間。研究人員說，這證明了非生物材料能使用“記憶”來更新對環境的理解能力，但在證實水凝膠可以“學習”之前還需要進行更多的研究。相關研究8月22日發表于《細胞報告物理科學》。

“離子水凝膠可以實現與復雜神經網絡相同的記憶機制。”論文第一作者、英國雷丁大學機器人工程師Vincent Strong說，“我們證明了水凝膠不僅可以玩乒乓球，而且隨著時間的推移，它們能玩得更好。”

研究人員的靈感來自之前的一項研究，即如果在某種程度上對培養皿中的腦細胞進行電刺激，并對其表現給予反饋，它們就能學會玩乒乓球。

“我們的論文解決了一個問題，即簡單的人工系統是否可以計算出，類似讓大腦控制身體的反饋回路閉環。神經元和水凝膠的基本原理是，離子遷移和分布可以作為一種記憶功能，與乒乓球中的感覺—運動回路相關。在神經元中，離子在細胞內流動；在凝膠中，它們又會跑到外面。”通訊作者、雷丁大學生物醫學工程師Yoshikatsu Hayashi說。

水凝膠是一種復雜的聚合物，水合時會變成果凍狀——明膠和瓊脂就是天然的例子。這里，研究人員使用了一種“電活性聚合物”，這意味著水凝膠可以對電刺激做出反應，這要歸功于聚合物基質周圍介質中離子（帶電粒子）的存在。當水凝膠受到電刺激時，離子移動，拖著水分子一起移動，這種運動導致水凝膠暫時改變形狀。

“水凝膠回彈所需要的時間比膨脹要長得多，這意味著離子的下一個運動受到之前運動的影響，這有點像記憶的發生。”Strong說，“水凝膠中離子的持續重排是基于水凝膠中先前的重排，并繼續回到它最初狀態，離子分布均勻。”

為了測試水凝膠的物理“記憶”能否讓它玩乒乓球，研究人員使用電極將水凝膠連接到虛擬游戲環境中，并通過向隨機方向發送球來啟動游戲。他們使用電刺激來告訴水凝膠球的位置，并通過測量水凝膠中離子的運動來確定球拍的位置。

隨著乒乓球游戲的進行，研究人員測量了凝膠的命中率，并檢查了其準確性是否有所提高。他們發現，經驗越豐富，水凝膠就能夠更頻繁地擊球。神經元在大約10分鐘內就展現出高水平技能，而水凝膠花了將近20分鐘才達到最佳水平。

“隨著時間的推移，當球移動時，凝膠的運動模式會隨時間積累并優化。然后球拍移動以適應模擬環境中的球。”Strong說，“隨著時間的推移，離子的運動方式會映射出所有運動的記憶，這種‘記憶’會提高擊球表現。”

由于大多數現有的人工智能算法都來自神經網絡，研究人員表示，水凝膠代表了一種不同的“智能”，可以用來開發新的、更簡單的算法。在未來，研究人員計劃通過檢查其“記憶”背后的機制和測試其執行其他任務的能力來進一步探索水凝膠的“記憶”。

“后續，我們將考慮如何提取相關算法。”雷丁大學的合著者William Holderbaum說。Strong說：“我們已經證明水凝膠中出現了‘記憶’，未來將進一步研究以明確是否發生了學習過程。”

相關論文信息：

http://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151