Гидрогель научили играть в настольный теннис

Клетки мозга уже могут играть в Pong, если их электрически стимулировать таким образом, чтобы они получали обратную связь о своей производительности. Ученые задались вопросом: могут ли неживые материалы, такие как гидрогели, имитировать работу нашего мозга. Оказалось, что как в живых клетках мозга, так и в неживых гидрогелях есть похожий механизм: движение и распределение заряженных частиц (ионов) помогает им «запоминать» и реагировать на изменения в окружающей среде. Разница лишь в том, что в клетках мозга ионы движутся внутри, а в геле — снаружи.

Гидрогели представляют собой сложные полимеры, приобретающие желеобразную консистенцию при взаимодействии с водой. Желатин и агар являются типичными природными примерами гидрогелей. Ученые использовали электроактивный полимер — гидрогель, способный изменять свою форму под воздействием электрического тока. Это возможно благодаря наличию ионов в среде, окружающей полимерную матрицу. При подаче электрического сигнала ионы начинают перемещаться, увлекая за собой молекулы воды, что и приводит к временной деформации гидрогеля.

Гидрогель сжимается гораздо медленнее, чем набухает. То есть каждое следующее движение ионов зависит от предыдущего, что напоминает процесс памяти. Ионы продолжают перемещаться внутри гидрогеля, исходя из их прошлых перестановок, начиная с момента создания материала, когда ионы были распределены равномерно.

Для проверки способности гидрогеля использовать свою физическую «память» в качестве основы для выполнения действий, исследователи подключили его с помощью электродов к виртуальной игровой среде Pong. Они установили петлю обратной связи между ракеткой гидрогеля и положением мяча. Движение ионов внутри гидрогеля служило индикатором положения ракетки, управляемой гидрогелем. А для передачи гидрогелю информации о положении мяча использовались электрические сигналы.

Эксперимент начался со случайного направления движения мяча. В ходе игрового процесса исследователи фиксировали количество успешных отбиваний мяча гидрогелем и анализировали динамику точности его действий. Чем больше гидрогель играл, тем лучше у него получалось: он все чаще отбивал мяч. Если нейроны достигали оптимального уровня мастерства в игре примерно за 10 минут, то гидрогелю требовалось для этого около 20 минут. По мере того как мяч двигался, гель сохранял информацию о его траектории. Затем, используя эти данные, гель перемещал свою ракетку в нужное место, чтобы отбить мяч. Перемещение ионов создавало «память» обо всех предыдущих движениях, что в итоге улучшало эффективность работы системы.

Большинство существующих алгоритмов искусственного интеллекта основано на модели нейронных сетей. Исследователи предлагают использовать гидрогели как альтернативный тип «интеллекта» для создания новых, более простых алгоритмов. В дальнейшем исследователи планируют углубить изучение механизмов «памяти» гидрогеля и оценить его способность выполнять другие задачи.