«Сгусток» из гидрогеля учится играть в понг как живое существо

Ученые подключили гидрогели к виртуальной игровой среде, используя электрические сигналы для передачи информации о положении мяча. Движение ионов внутри гидрогеля напрямую отвечало за управление движением «ракетки».

При продолжении игры точность гидрогеля повысилась до 10 %, продемонстрировав, что неживые материалы могут адаптироваться и сохранять информацию. Это открытие говорит о возможности создания новой формы «интеллекта», которая могла бы вдохновить упрощенные алгоритмы искусственного интеллекта.

Интересно, что клетки мозга уже могут играть в «понг» при электрической стимуляции, получая обратную связь о своей работе. Это заставило ученых задуматься о том, могут ли неживые материалы, например гидрогели, имитировать функции мозга.

Оказалось, что и клетки мозга, и гидрогели работают по схожему механизму: движение и распределение ионов позволяет им «запоминать» и реагировать на изменения окружающей среды. Ключевое различие заключается в том, что в клетках мозга ионы перемещаются внутри, а в гидрогелях — снаружи.

Гидрогели — это сложные полимеры, которые становятся желеобразными при взаимодействии с водой. Обычные природные примеры — желатин и агар. Для этого исследования ученые использовали электроактивный полимер — гидрогель, который меняет форму под воздействием электрического тока.

Изменение формы возможно благодаря ионам в окружающей среде, которые при подаче электрического сигнала перемещаются и тянут за собой молекулы воды, вызывая временную деформацию гидрогеля.

Гидрогель сжимается медленнее, чем разбухает, то есть каждое движение ионов происходит под влиянием предыдущих движений, что напоминает процесс запоминания. Эти ионы продолжают двигаться внутри гидрогеля, основываясь на предыдущих перестановках, начиная с момента создания материала, когда ионы были распределены равномерно.

Чтобы проверить способность гидрогеля использовать свою физическую «память» для действий, исследователи подключили его к виртуальной игре Pong с помощью электродов. Они установили обратную связь между ракеткой из гидрогеля и положением мяча.

Движение ионов внутри гидрогеля указывало на положение ракетки, а электрические сигналы передавали гидрогелю информацию о местонахождении мяча.

Эксперимент начался с произвольного перемещения мяча. Во время игры исследователи отслеживали, насколько успешно гидрогель попадает по мячу, и анализировали динамику его работы. Со временем гидрогель совершенствовался, чаще попадая по мячу.

В то время как нейроны осваивали игру примерно за 10 минут, гидрогелю потребовалось около 20 минут, чтобы достичь того же уровня мастерства. По мере движения мяча гель сохранял информацию о его траектории и использовал эти данные, чтобы позиционировать ракетку для оптимальных ударов. Движение ионов создавало «память» о прошлых действиях, что в конечном итоге повышало эффективность системы.

Большинство современных алгоритмов искусственного интеллекта основаны на нейронных сетях, но исследователи предполагают, что гидрогели могут представлять собой альтернативную форму «интеллекта», предлагая новые, более простые алгоритмы. Будущие исследования позволят глубже изучить механизмы памяти гидрогеля и оценить его потенциал для выполнения других задач.

Эти исследования открывают новые горизонты для применения гидрогелей в робототехнике и разработке интеллектуальных систем. Возможность адаптации и сохранения информации о предыдущих действиях может стать основой для создания более простых и эффективных алгоритмов, которые не требуют сложных вычислительных ресурсов. Такой подход мог бы снизить затраты на разработку и внедрение «умных» материалов в различных отраслях.

Кроме того, гидрогели могут быть использованы в биомедицине, где их способность реагировать на внешние сигналы могла бы помочь в создании умных протезов или имплантатов. Такие устройства могли бы адаптироваться к изменениям в теле пациента, улучшая качество жизни и функциональность.

Исследования также поднимают философские вопросы о природе интеллекта и сознания. Если неживые материалы могут проявлять адаптивное поведение, то что это значит для нашего понимания жизни и разума? Возможно, в будущем нам удастся обнаружить другие примеры «умных» материалов, которые будут демонстрировать не только физические, но и когнитивные способности, что откроет новые области в науке и технике.