没有生命的氢凝胶团块可以玩乒乓球

它的表现也(略微)随着时间的推移而提高。
Hydrogel device that plays Pong
“Pong”是测试各种形式的人工智能和算法学习的有用基准。图片来源:Vincent Strong

受近期脑类器官系统的进展启发,研究人员设计了一个简单的有机凝胶-电极阵列,该阵列不仅能“玩”Pong,还能随着时间的推移提高其游戏水平。

《Pong》由雅达利(Atari)于1972年推出,是有史以来最基本但最具影响力的视频游戏之一。尽管它只有两个玩家挡板和一个像素化的“球”在它们之间反弹,但它仍然是训练不仅是人工智能和神经网络,还是类器官智能(OI)的有用基准。这些OI系统由干细胞培育成基本的“大脑”,有一天可能为比传统硬件提供有前途的替代方案。但人工智能和类器官智能都是极其复杂且成本高昂的行业——如果更简单的阵列也能取得类似的结果呢?英国雷丁大学的一个团队着手进行这项工作,并于8月22日在期刊《Cell Reports Physical Science》上发表了他们的惊人发现。正如《新科学家》在周四的一段视频中强调的那样,这些结果有一天可能会影响新的、更简单的算法设计形式。

研究人员在生物医学工程教授吉胜义(Yoshikatsu Hayashi)的带领下,将一种由非活体、电活性材料组成的有机凝胶团——Belousov-Zhabotinsky(BZ)有机凝胶,通过定制的多电极阵列连接到一个《Pong》的计算机模拟中。当受到小电流脉冲时,BZ有机凝胶会发生电离。这反过来又会导致其水分子振荡和膨胀,在此过程中改变样本的整体形状。但有机凝胶膨胀的速率远低于其初始膨胀时的速率,这意味着每一次运动都会影响下一次。

“这有点像发生了记忆,”机器人工程师兼该研究的第一作者文森特·斯特朗(Vincent Strong)在相关声明中解释道。“离子在有机凝胶内的持续重排是基于有机凝胶内先前的重排,一直回溯到它刚被制造出来时离子分布均匀的状态。”

“神经元和有机凝胶的基本原理是,离子的迁移和分布可以作为一种记忆功能,与《Pong》世界中的感觉-运动环路相关联,”吉胜义补充道。“在神经元中,离子在细胞内运行;在凝胶中,它们在细胞外运行。”

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系统就位后,吉胜义及其合作者通过以随机方向发送球来开始一轮《Pong》。然后,电刺激“告知”有机凝胶球的位置,同时测量智能聚合物中的离子运动,以“确定”其虚拟挡板的位置。随着每轮比赛的进行,团队记录了凝胶的准确率,以观察它是否会随着时间的推移而提高——事实也确实如此。

“离子有机凝胶可以实现与更复杂神经网络相同的记忆机制,”斯特朗说。“我们证明了有机凝胶不仅能玩《Pong》,而且随着时间的推移,它们的表现还能变得更好。”

然而,这个有机凝胶团从未成为《Pong》的职业选手。据团队称,他们电离的凝胶团从未真正击败过计算机对手,其准确率最多提高了约10%。与之前脑类器官测试仅需10分钟完成同样任务相比,该聚合物在游戏20分钟后才达到其峰值性能。尽管如此,这些进步还是让有机凝胶团在更长的回合中能够与游戏抗衡。

鉴于目前大多数AI算法都依赖神经网络来运行,吉胜义的团队现在推测,有机凝胶可能提供了一种不同形式的“智能”,可以用来创建更简单的算法系统。今后,研究人员希望进一步研究这些基础记忆形成的物理特性,并将其应用于其他领域。

 

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特约撰稿人

Andrew Paul 是 Popular Science 的特约撰稿人。


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