CRPS: Гидрогель научили играть в пинг-понг, и он делает это как живой

Команда под руководством доктора Йошикацу Хаяси показала, что простой гидрогель может играть в pong, то есть в простой симулятор настольного тенниса. Гидрогель взаимодействовал с компьютерной симуляцией игры через многоэлектродный массив и со временем начал играть лучше.

Исследование опубликовали в журнале Cell Reports Physical Science 22 августа.

Доктор Хаяси, инженер-биомедик из Университета Рединга, сказал, что даже простые материалы могут демонстрировать сложное поведение, характерное для живых систем или сложных ИИ.

Учёные исследуют возможность создания «умных» материалов, которые могут адаптироваться к окружающей среде.

Предполагается, что способность к обучению возникает благодаря движению заряженных частиц внутри гидрогеля в ответ на электрическую стимуляцию. Это создаёт некую форму «памяти» в самом материале.

Винсент Стронг из Университета Рединга говорит, что ионные гидрогели могут создавать такие же механизмы памяти, как и нейронные сети. Он также отмечает, что гидрогели не только способны играть в понг, но и со временем становятся лучше.

Исследователей вдохновило предыдущее исследование, в котором клетки мозга в блюде научились играть в понг после электрической стимуляции с обратной связью.

Наша работа посвящена вопросу, могут ли простые искусственные системы вычислять замкнутые циклы обратной связи, подобные тем, что используются мозгом для управления телом, — говорит д-р Хаяси, автор исследования.

Принцип работы нейронов и гидрогелей заключается в том, что распределение ионов может работать как функция памяти, которая может быть связана с сенсорно-моторными петлями в мире Pong. В нейронах ионы движутся внутри клеток, а в геле они бегут наружу.

Большинство алгоритмов искусственного интеллекта создаются на основе нейронных сетей. Исследователи считают, что гидрогели могут стать основой для новых, более простых алгоритмов. Они планируют изучить механизмы памяти гидрогеля и протестировать его способности к выполнению других задач.

Бьющийся гель имитирует сердечную ткань

В новом исследовании, опубликованном в научном журнале, команда доктора Хаяси вместе с коллегами из Reading доктором Зуовей Ванг и доктором Нандини Васудеван показали, как можно заставить другой гидрогелевый материал колебаться в ритме с внешним кардиостимулятором. Это первый случай, когда такое было достигнуто не с помощью живых клеток.

Исследователи показали, что гидрогелевый материал колеблется химически и механически подобно клеткам сердечной мышцы, которые сокращаются одновременно. Они также предложили теоретическое объяснение этого динамического поведения.

Исследователи обнаружили, что если воздействовать на гель циклическими сжатиями, то его химические колебания синхронизируются с механическими ритмами. Гель «запомнил» этот ритм даже после того, как механическое воздействие прекратилось.

По словам доктора Хаяси, это открытие поможет создать модель сердечной мышцы человека. Она может быть использована для изучения взаимодействия механических и химических сигналов в сердце. Это также открывает новые возможности для кардиологических исследований: некоторые эксперименты на животных можно будет заменить экспериментами с химически активными гелевыми моделями.

Ведущий автор исследования доктор Тунде Гехер-Херцег говорит, что результаты работы могут помочь в изучении сердечной аритмии. От этого состояния, при котором сердце бьётся слишком быстро, медленно или нерегулярно, страдают более 2 миллионов человек в Великобритании.

По словам доктора Гехер-Херцег, сложность биологических клеток сердца затрудняет изучение его механических систем. Однако результаты исследования могут привести к новым открытиям и потенциальным методам лечения аритмии, а также помогут понять, как можно использовать искусственные материалы вместо животных и биологических тканей для исследований и лечения в будущем.

Последствия и будущие направления

Эти исследования объединяют концепции из нейронауки, физики, материаловедения и кардиологии. Они показывают, что принципы обучения и адаптации в живых системах могут быть более универсальными.

Результаты исследований могут применяться в разных областях: от мягкой робототехники и протезирования до экологического зондирования и адаптивных материалов. В будущем учёные сосредоточатся на разработке более сложных моделей поведения и изучении возможных практических применений. Также они планируют разработать альтернативные лабораторные модели для исследований в области кардиологии и сокращения использования животных в медицинских исследованиях.

22.08.2024