Hydrożel nauczył się grać. W Ponga

Nawet proste materiały, takie jak hydrożele, mogą dostosowywać się do otaczającego je środowiska w sposób podobny do tego, co obserwuje się w żywych systemach. Wykazały to badania prowadzone przez zespół dr Yoshikatsu Hayashi z University of Reading, w których uczeni połączyli hydrożel do elektrod i nauczyli go grać w Ponga. Pong to klasyczna gra wideo, będąca bardzo prostą symulacją tenisa stołowego.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Cell Reports Physical Science" (DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102151).

Naukowcy z University of Reading opracowali prosty hydrożel - rodzaj miękkiego, elastycznego materiału, który może nauczyć się grać w prostą grę komputerową z lat 70. Co więcej, połączony z komputerową symulacją klasycznej gry za pomocą specjalnie zbudowanej tablicy wieloelektrodowej, wykazał z czasem poprawę swojej wydajności. Naukowcy czerpali inspirację z pracy sprzed dwóch lat, w której australijscy badacze nauczyli grupę ludzkich i mysich komórek mózgowych grać w tę klasyczną grę wideo.

- Nasze badania pokazują, że nawet bardzo proste materiały mogą wykazywać złożone, adaptacyjne zachowania, zwykle kojarzone z systemami żywymi lub zaawansowaną sztuczną inteligencją. Otwiera to ekscytujące możliwości opracowywania nowych typów "inteligentnych" materiałów, które mogą uczyć się i dostosowywać do swojego środowiska – powiedział Hayashi.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Badacze uważają, że "uczenie się" wynika z ruchu naładowanych cząstek wewnątrz 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. Wykazaliśmy, że hydrożele nie tylko potrafią grać w Ponga, ale z czasem mogą stawać się w tym coraz lepsze – podkreślił współautor publikacji, Vincent Strong z Uniwersytetu w Reading.

Wyniki te pokazują, że syntetyczne materiały mogą wykorzystywać podstawową formę "pamięci" w celu zwiększenia wydajności. - System demonstruje pamięć w podobny sposób, w jaki koryto rzeki rejestruje pamięć o rzece – powiedział Brett Kagan z Cortical Labs w Melbourne w Australii, główny autor badania sprzed dwóch lat, w którym wykazano, że komórki mózgowe w naczyniu mogą nauczyć się grać w Ponga, jeśli zostaną pobudzone elektrycznie w sposób, który zapewni im informacje zwrotne na temat ich wyników.

Hayashi wraz ze współpracownikami skupili się na galaretowatych materiałach, czyli hydrożelach. Zawierają one naładowane cząsteczki zwane jonami. Kiedy taki rodzaj hydrożelu jest stymulowany elektrycznie, jony przemieszczają się przez materiał i ciągną za sobą cząsteczki wody, powodując zmianę kształtu hydrożelu.

- Nasza praca dotyczy kwestii, czy proste, sztuczne systemy, mogą obliczać zamknięte pętle podobne do pętli sprzężenia zwrotnego, które pozwalają naszym mózgom kontrolować nasze ciała. Podstawową zasadą zarówno neuronów, jak i hydrożeli jest to, że migracja i dystrybucja jonów może działać jako funkcja pamięci, która może korelować z pętlami sensoryczno-motorycznymi w świecie Ponga. W neuronach jony przemieszczają się wewnątrz komórek. W żelu przemieszczają się na zewnątrz – przyznał Hayashi.

Aby sprawdzić, czy ta "pamięć" może umożliwić hydrożelowi grę w Ponga, naukowcy użyli elektrod do połączenia materiału z grą. Gra została podzielona na sześć części, które odpowiadały sześciu parom elektrod. Za każdym razem, gdy piłka przemieściła się przez jeden z kwadratów, odpowiednie elektrody wysyłały sygnał elektryczny do hydrożelu, powodując zmianę położenia jonów. Następnie elektrody czujnikowe mierzyły prąd elektryczny przegrupowanych jonów i przekazywały te informacje z powrotem do komputera, który interpretował je jako polecenie przesunięcia paletki do gry w nową pozycję. Z czasem utworzyło to podstawową "pamięć", ponieważ ruch jonów był uzależniony od ich poprzednich przegrupowań.

Na początku hydrożel uderzał piłkę tylko przez około połowę czasu, ale zwiększył swój współczynnik uderzeń do 60 proc. w ciągu około 24 minut, co wskazuje, że materiał aktualizuje swoją "pamięć" dotyczącą ruchu piłki, wykorzystując wzór jonów. Poprawa wydajności skutkowała również dłuższymi wymianami - okresami, w których piłka była w grze.

Naukowcy przeprowadzili eksperymenty kontrolne, które polegały na podawaniu hydrożelowi niewłaściwych informacji o położeniu piłki lub sprawianiu, że działał "na ślepo" poprzez brak stymulacji. Oznaczało to, że położenie jonów w żelu nie odzwierciedlało dokładnie gry na ekranie. Hydrożel nie wykazywał oznak poprawy w tych warunkach, co sugeruje, że poprawia się tylko po podaniu prawidłowych informacji.

Autorzy publikacji twierdzą, że hydrożele reprezentują inny rodzaj "inteligencji" niż większość istniejących algorytmów sztucznej inteligencji pochodzących z sieci neuronowych. Mogłyby zostać wykorzystane do opracowania nowych, prostszych algorytmów. W przyszłości naukowcy planują dalej badać "pamięć" hydrożelu, analizując mechanizmy za nią stojące i testując ich zdolność do wykonywania innych zadań.

Źródło: University of Reading, Nature