Hidrogelurile pot învăța să joace Pong

Pong va ocupa întotdeauna un loc special în istoria jocurilor de noroc ca unul dintre cele mai vechi jocuri video arcade. Introdus în 1972, a fost un joc de tenis de masă cu o grafică și un joc foarte simple. De fapt, este destul de simplu încât chiar și materialele nevii cunoscute ca hidrogeluri poate „învăța” să joace jocul „amintindu-și” modelele anterioare de stimulare electrică, conform unui hârtie nouă publicat în revista Cell Reports Physical Science.

„Cercetarea noastră arată că chiar și materialele foarte simple pot prezenta comportamente complexe, adaptative, asociate de obicei cu sistemele vii sau cu inteligența artificială sofisticată.” a spus coautorul Yoshikatsu Hayashiinginer biomedical la Universitatea Reading din Marea Britanie. „Acest lucru deschide posibilități interesante pentru dezvoltarea de noi tipuri de materiale „inteligente” care pot învăța și se pot adapta la mediul lor.”

Hidrogelurile sunt materiale bifazice moi, flexibile, care se umflă, dar nu se dizolvă în apă. Deci, un hidrogel poate conține o cantitate mare de apă, dar totuși își păstrează forma, făcându-l util pentru o gamă largă de aplicații. Poate cea mai cunoscută utilizare este lentilele de contact moi, dar diferite tipuri de hidrogeluri sunt, de asemenea, folosite în implanturi mamare, scutece de unică folosință, electrozi medicali EEG și ECG, biosenzori de glucoză, puncte cuantice încapsulate, purificarea apei cu energie solară, culturi celulare, inginerie tisulară. schele, explozivi cu gel de apă, dispozitive de acționare pentru robotică moale, materiale supersonice de absorbție a șocurilor și sisteme de livrare a medicamentelor cu eliberare susținută, printre alte utilizări.

În aprilie, Hayashi a fost co-autor o hârtie arătând că hidrogelurile pot „învăța” să bată în ritm cu un stimulator cardiac extern, lucru realizat anterior doar cu celulele vii. Ei au exploatat capacitatea intrinsecă a hidrogelurilor de a converti energia chimică în oscilații mecanice, folosind stimulatorul cardiac pentru a aplica compresii ciclice. Ei au descoperit că atunci când oscilația unei probe de gel se potrivea cu rezonanța armonică a bătăii stimulatorului cardiac, sistemul păstra o „memorie” a acelei perioade de oscilație rezonantă și putea păstra acea memorie chiar și atunci când stimulatorul cardiac a fost oprit. Astfel de hidrogeluri ar putea fi într-o zi un substitut util pentru cercetarea inimii folosind animale, oferind noi modalități de cercetare a afecțiunilor precum aritmia cardiacă.

Pentru această ultimă lucrare, Hayashi și coautorii au fost parțial inspirați de un studiu din 2022 în care celulele creierului dintr-o farfurie — supranumite DishBrain— au fost stimulate electric astfel încât să creeze bucle utile de feedback, permițându-le să „învețe” să juca Pong (deși rău). Ca editorul Ars Science John Timmer raportat la acea vreme:

Pong s-a dovedit a fi o alegere excelentă pentru experimente. Mediul implică doar câteva variabile: locația paletei și locația mingii. Padela se poate deplasa doar de-a lungul unei singure linii, astfel încât partea cu motor a lucrurilor are nevoie doar de două intrări: deplasarea în sus sau în jos. Și există o recompensă clară pentru a face lucrurile bine: eviți o stare finală în care mingea trece pe lângă vâsle și jocul se oprește. Este o configurație excelentă pentru testarea unei rețele neuronale simple.

Pune înăuntru Pong În termeni, porțiunea senzorială a rețelei va prelua intrările poziționale, va determina o acțiune (deplasa paleta în sus sau în jos) și apoi va genera o așteptare pentru care va fi următoarea stare. Dacă interpretează lumea corect, acea stare va fi similară cu predicția sa și, prin urmare, aportul senzorial va fi propria sa recompensă. Dacă lucrurile nu se potrivesc, atunci va exista o nepotrivire mare, iar rețeaua își va revizui conexiunile și va încerca din nou.

Au existat câteva avertismente – chiar și cele mai bune sisteme nu au jucat Pong atât de bine — dar abordarea a funcționat în cea mai mare parte. Acele sisteme care cuprind neuroni de șoarece sau umani au văzut lungimea medie a Pong raliurile cresc în timp, ceea ce indică faptul că ar putea învăța regulile jocului. Sistemele bazate pe celule non-neurale, sau cele care nu au un sistem de recompensă, nu au văzut acest tip de îmbunătățire. Descoperirile au oferit unele dovezi că rețelele neuronale formate din neuroni reali dezvoltă în mod spontan capacitatea de a învăța. Și asta ar putea explica unele dintre capacitățile de învățare ale creierului actual, unde grupuri mai mici de neuroni sunt organizate în unități funcționale.