水凝膠也能靠「記憶」來玩電子遊戲

2024年08月23日07:30:12 科學 5846

水凝膠也能靠「記憶」來玩電子遊戲 - 天天要聞

8月22日,研究人員在細胞出版社(cell press)旗下期刊cell reports physical science上報告說,非生物水凝膠可以玩電子遊戲乒乓球,並能通過更多的經驗來提高其遊戲技巧。研究人員將水凝膠連接到虛擬遊戲環境中,然後在水凝膠的球拍(由水凝膠內帶電粒子的分布編碼)和球(由電刺激編碼)之間應用反饋迴路。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。

「離子水凝膠可以實現與複雜神經網路相同的記憶機制。」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,該研究表明,如果在某種程度上對培養皿中的腦細胞進行電刺激,並對其表現給予反饋,它們就能學會玩乒乓球。

通訊作者、雷丁大學生物醫學工程師yoshikatsu hayashi說:「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迴路閉環。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—運動迴路相關。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。」

水凝膠是一種複雜的聚合物,水合時會變成果凍狀——明膠和瓊脂就是天然的例子。這裡,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,這要歸功於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於水凝膠中先前的重排,並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遊戲環境中,並通過向隨機方向發送球來啟動遊戲。他們使用電刺激來告訴水凝膠球的位置,並通過測量水凝膠中離子的運動來確定球拍的位置。

隨著乒乓球遊戲的進行,研究人員測量了凝膠的命中率,並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並優化。然後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。」

由於大多數現有的人工智慧演算法都來自神經網路,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、更簡單的演算法。在未來,研究人員計劃通過檢查其「記憶」背後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」。

「後續,我們將考慮如何提取相關演算法。」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。」

閱讀論文:https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/s2666-3864(24)00436-3

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