|
Гидрогелевый мозг учится играть в настольный теннис
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном сегодня (22 августа) в журнале Cell Reports Physical Science, команда под руководством доктора Йошикатсу Хаяси продемонстрировала, что с помощью простого гидрогеля - типа мягкого, гибкого материала - можно научиться играть в простую компьютерную игру 1970-х годов "Теннис’. Гидрогель, соединенный с компьютерной симуляцией классической игры с помощью специально разработанной многоэлектродной матрицы, со временем продемонстрировал улучшенную производительность.
|
|
|
|
Доктор Хаяси, биомедицинский инженер из Школы биологических наук Университета Рединга, сказал: "Наше исследование показывает, что даже очень простые материалы могут демонстрировать сложное адаптивное поведение, обычно связанное с живыми системами или сложным искусственным интеллектом.
|
|
|
|
- Это открывает захватывающие возможности для разработки новых типов "умных" материалов, способных обучаться и адаптироваться к окружающей среде".
|
|
|
|
Считается, что процесс эмерджентного обучения возникает в результате движения заряженных частиц внутри гидрогеля в ответ на электрическую стимуляцию, создавая своеобразную "память" внутри самого материала.
|
|
|
|
“Ионные гидрогели могут обеспечить такую же механику запоминания, как и более сложные нейронные сети”, - говорит первый автор и инженер-робототехник Винсент Стронг из Университета Рединга. “Мы показали, что гидрогели не только способны играть в теннис, но и со временем могут становиться в этом еще лучше”.
|
|
|
Исследователи были вдохновлены предыдущим исследованием, которое показало, что клетки мозга в тарелке могут научиться играть в теннис, если их стимулировать электрическим током таким образом, чтобы они получали обратную связь об их эффективности.
|
|
|
|
“В нашей статье рассматривается вопрос о том, могут ли простые искусственные системы вычислять замкнутые циклы, подобные циклам обратной связи, которые позволяют нашему мозгу управлять нашим телом”, - сказал доктор Хаяси, автор-корреспондент исследования.
|
|
|
|
“Основной принцип работы как нейронов, так и гидрогелей заключается в том, что миграция и распределение ионов могут выполнять функцию памяти, которая может коррелировать с сенсомоторными циклами в мире настольного тенниса. В нейронах ионы перемещаются внутри клеток. В геле они перемещаются наружу”.
|
|
|
|
Поскольку большинство существующих алгоритмов искусственного интеллекта основаны на нейронных сетях, исследователи говорят, что гидрогели представляют собой другой вид “интеллекта”, который может быть использован для разработки новых, более простых алгоритмов. В будущем исследователи планируют продолжить изучение “памяти” гидрогеля, изучив механизмы, лежащие в основе его памяти, и протестировав его способность выполнять другие задачи.
|
|
|
|
В недавнем исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда доктора Хаяси вместе с коллегами из Reading, доктором Зуовеем Вангом и доктором Нандини Васудеван, продемонстрировали, как можно научить другой гидрогелевый материал биться в одном ритме с внешним кардиостимулятором. Впервые это было достигнуто с использованием материала, отличного от живых клеток.
|
|
|
|
Исследователи продемонстрировали, как гидрогелевый материал совершает химические и механические колебания, очень похожие на то, как клетки сердечной мышцы сокращаются в унисон. Они дают теоретическую интерпретацию этого динамического поведения.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что, применяя циклические надавливания на гель, они могут синхронизировать его химические колебания с механическим ритмом. Гель сохранил память об этом биении даже после того, как механический кардиостимулятор был отключен.
|
|
|
|
"Это важный шаг на пути к созданию модели сердечной мышцы, которая однажды может быть использована для изучения взаимодействия механических и химических сигналов в сердце человека", - сказал доктор Хаяси. - Это открывает захватывающие возможности для замены некоторых экспериментов на животных в кардиологических исследованиях этими гелевыми моделями с химическим приводом".
|
|
|
|
Ведущий автор исследования, доктор Тунде Гехер-Герцег, сказал, что полученные результаты могут дать новые способы изучения сердечной аритмии - состояния, при котором сердце бьется слишком быстро, слишком медленно или нерегулярно, от которого страдают более 2 миллионов человек в Великобритании.
|
|
|
|
Она сказала: “С нерегулярным сердцебиением можно справиться с помощью лекарств или электрокардиостимулятора, но сложность биологических клеток сердца затрудняет изучение основных механических систем, независимо от химических и электрических систем сердца.
|
|
|
|
“Наши результаты могут привести к новым открытиям и потенциальным методам лечения аритмии, а также будут способствовать нашему пониманию того, как искусственные материалы могут быть использованы вместо животных и биологических тканей для исследований и лечения в будущем”.
|
|
|
|
Эти исследования, объединяющие концепции неврологии, физики, материаловедения и кардиологии, позволяют предположить, что фундаментальные принципы, лежащие в основе обучения и адаптации в живых системах, могут быть более универсальными, чем считалось ранее.
|
|
|
|
Исследовательская группа считает, что их результаты могут иметь далеко идущие последствия для самых разных областей - от мягкой робототехники и протезирования до зондирования окружающей среды и адаптивных материалов. Будущая работа будет сосредоточена на разработке более сложных моделей поведения и изучении потенциальных применений в реальных условиях, включая разработку альтернативных лабораторных моделей для продвижения кардиологических исследований и сокращения использования животных в медицинских исследованиях.
|
|
|
|
Источник
|
