Исследователи подключили гидрогели к виртуальной игровой среде, а затем применили петлю обратной связи между "ракеткой", кодируемой распределением заряженных частиц внутри вещества, и положением мяча, выраженным электрической стимуляцией. С практикой точность гидрогеля улучшилась на 10%, что привело к более продолжительным раундам игры. Ученые говорят, что это демонстрирует способность неживых материалов использовать "память" для обновления своего понимания окружающей среды. Впрочем, по их словам, необходимы дополнительные исследования, прежде чем можно будет сказать, что гидрогели могут обучаться.

"Ионные гидрогели могут обеспечить такую ​​же механику памяти, как и более сложные нейронные сети, — говорит первый автор статьи, Винсент Стронг из Университета Рединга. — Мы показали, что гидрогели не только способны играть в Pong, но и со временем могут становиться лучше".

Ученые были вдохновлены предыдущим исследованием, которое показало, что клетки мозга в чашке способны научиться играть в Pong, если их электрически стимулировать таким образом, чтобы давать обратную связь о результатах. В этот раз было решено узнать, есть ли такая способность у простых искусственных систем.

"Основной принцип как нейронов, так и гидрогелей заключается в том, что миграция и распределение ионов могут работать как функция памяти, которая может коррелировать с сенсорно-моторными петлями в мире Pong — говорит автор-корреспондент и биомедицинский инженер Ёсикацу Хаяши из Университета Рединга. — В нейронах ионы бегут внутри клеток; в геле они бегут снаружи".

Гидрогели представляют собой сложные полимеры, которые при гидратации становятся желеобразными. Природные примеры таких веществ — желатин и агар. В рамках своего эксперимента исследователи использовали "электроактивный полимер", то есть гидрогель, который может реагировать на электрическую стимуляцию благодаря присутствию ионов в среде, окружающей его матрицу. В результате заряженные частицы движутся, увлекая за собой молекулы воды, что заставляет гидрогель временно менять форму.

"Скорость, с которой гидрогель теряет объем, гораздо меньше, чем темп, с которым он набухает, а это означает, что последующее движение ионов зависит от предыдущего, что похоже на возникновение памяти, — говорит Стронг. — Продолжающаяся перегруппировка заряженных частиц основана на предшествующих перемещениях, начиная с того момента, когда он был впервые создан и имел однородное распределение ионов".

Чтобы проверить, может ли физическая "память" гидрогеля позволить ему играть в Pong, исследователи использовали электроды для подключения гидрогеля к виртуальной среде и запускали игру, отправляя мяч в случайном направлении. Они применяли электрическую стимуляцию, чтобы сообщить гидрогелю о его положении, и измеряли движение ионов внутри вещества, чтобы определить, где находится ракетка.

По мере игры исследователи измеряли вероятность, с которой гель отражал приближающийся мячик и проверяли, улучшилась ли его точность. Оказалось, что "опытный" гидрогель отражает мяч чаще, что приводит к более длительным раундам. 

Стоит отметить, что нейроны достигли оптимальных навыков игры примерно за 10 минут, а гидрогелю потребовалось около 20.

"Со временем, по мере того как мяч движется, гель накапливает память обо всех перемещениях. А затем ракетка меняет свое положение, соответственно мячу в моделируемой среде, — говорит Стронг. — Ионы перемещаются таким образом, что со временем сохраняется "память" обо всех движениях, и она приводит к улучшению производительности".

Поскольку большинство существующих алгоритмов ИИ основаны на нейронных сетях, исследователи говорят, что гидрогели представляют собой другой вид "интеллекта". Его можно использовать для разработки новых, более простых алгоритмов. В будущем исследователи планируют продолжить исследование "памяти" вещества, изучая ее механизмы и проверяя способность гидрогеля выполнять другие задачи.

"В наших последующих проектах мы думаем о том, как извлечь из гидрогелей алгоритм, позволяющий приобретать память", — говорит соавтор Уильям Холдербаум из Университета Рединга.

Исследование опубликовано в Cell Reports Physical Science.