Гидрогели учатся играть в Pong: новые свойства «умных» материалов

Привет! Это Даша Фролова из МТС Диджитал. Сегодня поговорим о гидрогелях, которые, как оказалось, неплохо играют в Pong. Об этом уже писали в дайджесте ^[1] на Хабре, но мы разберем тему подробнее.

Одно из свойств нашего разума — способность обучаться, но это не уникальная для человека или животных черта. Учиться могут нейросети и даже химические соединения — да, гидрогели как раз такой пример. Ученые из Университета Рединга в Великобритании недавно обнаружили, что гидрогели могут демонстрировать комплексную реакцию на внешние факторы. Это умеют мозг ^[2] и нейросети, но как такое удается гидрогелю?

Теория о гидрогелях

Согласно «Википедии» ^[3], гидрогель — это сеть сшитых гидрофильных полимерных цепей. Он может представлять собой коллоидный гель, в котором вода будет дисперсионной средой. Трехмерное твердое тело получается в результате того, что гидрофильные полимерные цепи удерживаются вместе поперечными связями.

Гидрогель может содержать большое количество воды, но при этом сохраняет форму. Одна из областей его применения — оптика: из гидрогеля формируют мягкие контактные линзы. Еще его используют в определенных типах грудных имплантов, медицинских электродах для ЭЭГ и ЭКГ, системах очистки воды, приводах «мягких» роботов и так далее.

По мнению ^[4] ученых из Университета Рединга (это они научили гидрогель играть в Pong) есть и другое направление, где гидрогель может быть полезен. Речь о разработке новых типов «умных» систем, которые способны учиться и адаптироваться к своей среде.

С чего все началось

В качестве основы для своей работы ученые во главе с Йошикацу Хаяси взяли данные другого исследования ^[5] под названием DishBrain. Его основа — полубиологическая система с электродами, в которую внедрили около 800 000 клеток мозга ^[2] человека и мыши. Она научилась играть в Pong, причем всего за пять минут.

Электроды считывали активность клеток мозга ^[2] и стимулировали их же электрическими сигналами. Ученым удалось научить эту систему перемещать ракетку в игре Pong. Она могла двигаться только вдоль одной линии, поэтому моторная часть требовала всего двух команд: перемещаться вверх или вниз.

На втором этапе разработали систему стимуляции. В ее основе — «стремление» небольших скоплений мозга ^[2] к упорядоченности. Клетки стремились сводить к минимуму непредсказуемые факторы. Ученые обучали клетки так: если ракетка отбивает мяч, клетки получают предсказуемый стимул. Если промах — следует четыре секунды хаотического сигнала.

Результат — DishBrain научилась играть. Стимуляция приводила к улучшениям результатов. Без стимулов уровень «игрока» оставался прежним.

А вот что авторы проекта DishBrain написали ^[5] о полубиологических системах: «В будущем они могут в конечном итоге превзойти по производительности существующее чисто кремниевое оборудование. Результаты исследования могут быть полезными для таких отраслей, как робототехника, автоматизация, интерфейсы мозг-машина и разработка лекарств».

Учиться может не только мозг

В апреле 2024 года руководитель группы исследователей из Университета Рединга Йошикацу Хаяси, биомедицинский инженер, опубликовал ^[6] статью. В ней показано, что гидрогель может «научиться» биться в одном ритме под воздействием кардиостимулятора. Раньше этого добивались только при работе с живыми клетками.

У гидрогелей есть особенность — свойство преобразовывать химическую энергию в механические колебания. Ученый установил, что образец геля под воздействием электрических импульсов кардиостимулятора «запоминал» ритм колебаний. И даже когда кардиостимулятор отключали, гидрогель продолжал «помнить» то, чему «научился».

Так что там с Pong-ом?

А дальше — ученые решили попробовать «научить» гидрогель играть в Pong. Образец электроактивного полимерного материала помещали между двумя пластинами с электродами. Гель, соответственно, реагировал на стимуляцию током и постепенно «учился» управлять ракеткой в компьютерной игре.

Обнаружили, что если воздействовать на электроактивный гидрогель электрическим импульсом, ионы (заряженные частицы) в материале начнут двигаться, и молекулы воды будут перемещаться вместе с ними, изменяя форму гидрогеля, хотя бы временно.

«Основной принцип как у нейронов, так и у гидрогелей заключается в том, что миграция и распределение ионов могут работать как функция памяти, которая может быть связана с сенсорно-моторными петлями в мире Pong, — сказал ^[4] Хаяси. — В нейронах ионы движутся внутри клеток. В геле они перемещаются снаружи».

В итоге гидрогель подключили к компьютеру с Pong при помощи сложной системы электродов. Стимуляция давала возможность системе «отслеживать» положение мяча и ракетки. Ученые вели учет того, как часто «геймеру» удавалось отбить мяч ракеткой. Оказалось, что с течением времени точность игры улучшилась. Удивительно, но эта система играет даже лучше, чем DishBrain: продолжительность игровой сессии достигла 20 минут вместо 10 у полубиологического игрока.

Зачем это все

Все это делалось, конечно, не ради игры в Pong. Ученые считают, что гидрогель поможет создать «умных» роботов, способных обучаться без сложных компьютерных систем и нейросетей. Конечно, пока об этом рано говорить: проект только в начальной стадии. Если все получится, возможно, появится еще одно направление в робототехнике. Ну или мы просто полюбуемся на то, как гидрогель профессионально играет в Pong, что тоже неплохо.