没有生命的水凝胶团可以玩乒乓球

受到脑器官系统最新进展的启发，研究人员设计了一种简单的水凝胶电极阵列，它不仅可以“玩”乒乓球，而且还能随着时间的推移提高其游戏水平。

Pong由 Atari 于 1972 年首次推出，是有史以来最简陋但最具影响力的电子游戏之一。尽管它只有两个玩家桨和一个在它们之间弹跳的像素化“球”，但它仍然是训练人工智能和神经网络以及类器官智能 (OI) 的有用基准。这些 OI 系统由干细胞培育成基本的“大脑”，有朝一日或许会成为传统硬件的有希望的替代品。但人工智能和 OI 都是极其复杂且昂贵的行业——如果更简单的阵列可以实现类似的结果会怎样？英国雷丁大学的一个研究小组着手做这件事，并于 8 月 22 日在《细胞报告物理科学》杂志上发表了他们的惊人发现。正如《新科学家》杂志在周四的一段视频中强调的那样，这些结果有朝一日或许会影响新的、更简单的算法设计形式。

在生物医学工程教授 Yoshikatsu Hayashi 的带领下，研究人员使用定制的多电极阵列将一团称为 Belousov-Zhabotinsky (BZ) 水凝胶的非生命电活性材料连接到Pong的计算机模拟中。当受到小电流冲击时，BZ 水凝胶会电离。这反过来又会导致它们的水分子振荡和膨胀，从而改变样品的整体形状。但水凝胶减少肿胀的速度比最初扩大的速度要慢得多，这意味着每次运动都会影响下一次运动。

“这有点像记忆的发生，”机器人工程师、研究第一作者文森特·斯特朗在一份随附声明中解释道。“水凝胶中离子的持续重排是基于水凝胶中之前的重排，一直延续到水凝胶刚被制成时离子分布均匀的时候。”

“神经元和水凝胶的基本原理是离子的迁移和分布可以起到记忆功能的作用，与乒乓球世界中的感觉运动回路相关联，”Hayashi 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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系统安装到位后，Hayashi 和同事们开始玩乒乓球，将球随机地扔向一个方向。然后，电刺激“告知”水凝胶球的位置，同时测量智能聚合物中的离子运动以“确定”其虚拟桨位置。随着每一轮游戏的进行，团队记录了凝胶的准确率，以查看它是否能够随着时间的推移而提高——事实上，它确实做到了。

“离子水凝胶可以实现与更复杂的神经网络相同的记忆机制，”斯特朗说。“我们证明了水凝胶不仅能够玩乒乓球，而且随着时间的推移，它们实际上可以玩得更好。”

然而，这种水凝胶从未成为乒乓球高手。据该团队称，他们的电离团块从未真正击败过计算机对手，准确率最多提高了 10% 左右。这种聚合物在玩了 20 分钟后也达到了最佳性能，而之前的脑类器官测试只需 10 分钟即可达到最佳性能。尽管如此，这样的进步让水凝胶能够在更长的回合中与游戏竞争。

鉴于目前大多数人工智能算法都依赖神经网络来发挥作用，Hayashi 的团队现在推测水凝胶可能提供一种不同形式的“智能”，可以利用它来创建更简单的算法系统。展望未来，研究人员希望进一步研究基本记忆形成背后的物理特性，并在其他应用中进行测试。