Hydrogele haben dank ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften die Fähigkeit gezeigt, zu lernen und ihre Leistung beim Spiel Pong zu verbessern.
Diese Materialien sammeln ein „Gedächtnis“ ihrer vergangenen Bewegungen, indem sie Ionen innerhalb ihrer Struktur verschieben, was dann ihre zukünftigen Aktionen beeinflusst.
Die Wissenschaftler verbanden die Hydrogele mit einer virtuellen Spielumgebung und nutzten elektrische Signale, um Informationen über die Position des Balls weiterzuleiten.
Die Bewegung der Ionen im Hydrogel war direkt für die Steuerung der „Schläger“-Bewegung verantwortlich.
Bei fortgesetztem Spielen verbesserte sich die Genauigkeit des Hydrogels auf 10 %. Dies zeigt, dass sich nicht lebende Materialien an Informationen anpassen und diese speichern können.
Diese Entdeckung deutet auf das Potenzial einer neuen Form von „Intelligenz“ hin, die vereinfachte KI-Algorithmen inspirieren könnte.
Interessanterweise können Gehirnzellen bereits Pong spielen, wenn sie elektrisch stimuliert werden, um Feedback zu ihrer Leistung zu erhalten.
Dies veranlasste Wissenschaftler zu der Untersuchung, ob nicht-lebende Materialien wie Hydrogele gehirnähnliche Funktionen nachahmen könnten.
Es stellt sich heraus, dass sowohl Gehirnzellen als auch Hydrogele auf einem ähnlichen Mechanismus beruhen: Die Bewegung und Verteilung von Ionen ermöglicht es ihnen, sich an Veränderungen in der Umgebung zu „erinnern“ und darauf zu reagieren.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich die Ionen in Gehirnzellen intern bewegen, während sie sich in Hydrogelen extern bewegen.
Hydrogele sind komplexe Polymere, die bei Kontakt mit Wasser geleeartig werden. Gängige natürliche Beispiele sind Gelatine und Agar.
Für diese Studie verwendeten die Wissenschaftler ein elektroaktives Polymer – ein Hydrogel, das seine Form ändert, wenn es einem elektrischen Strom ausgesetzt wird.
Diese Formveränderung ist durch die Ionen in der Umgebung möglich, die bei Anlegen eines elektrischen Signals Wassermoleküle bewegen und mitziehen, wodurch eine vorübergehende Verformung des Hydrogels verursacht wird.
Das Hydrogel zieht sich langsamer zusammen als es anschwillt, was bedeutet, dass jede Ionenbewegung von vorherigen Bewegungen beeinflusst wird, was einem Gedächtnisprozess ähnelt.
Diese Ionen bewegen sich basierend auf vorherigen Umlagerungen weiterhin innerhalb des Hydrogels, beginnend mit der ursprünglichen Entstehung des Materials, als die Ionen gleichmäßig verteilt waren.
Um die Fähigkeit des Hydrogels zu testen, sein physisches „Gedächtnis“ für Aktionen zu nutzen, verbanden die Forscher es über Elektroden mit einem virtuellen Pong-Spiel.
Sie stellten eine Rückkopplungsschleife zwischen dem Hydrogelschläger und der Position des Balls her.
Die Bewegung der Ionen im Hydrogel zeigte die Position des Schlägers an und elektrische Signale übermittelten dem Hydrogel die Position des Balls.
Das Experiment begann damit, dass sich der Ball zufällig bewegte. Während des Spiels verfolgten die Forscher, wie erfolgreich das Hydrogel den Ball traf, und analysierten seine Leistungsdynamik.
Mit der Zeit verbesserte sich das Hydrogel und traf den Ball häufiger.
Während die Neuronen das Spiel in etwa 10 Minuten meisterten, brauchte das Hydrogel etwa 20 Minuten, um das gleiche Fähigkeitsniveau zu erreichen.
Während sich der Ball bewegte, speicherte das Gel Informationen über seine Flugbahn und nutzte diese Daten, um seinen Schläger für optimale Schläge zu positionieren. Die Bewegung der Ionen schuf ein „Gedächtnis“ an vergangene Aktionen, was letztlich die Wirksamkeit des Systems steigerte.
Die meisten aktuellen KI-Algorithmen basieren auf neuronalen Netzwerken, aber Forscher vermuten, dass Hydrogele eine alternative Form der „Intelligenz“ darstellen könnten, die neue, einfachere Algorithmen bietet.
Zukünftige Studien werden tiefer in die Gedächtnismechanismen des Hydrogels eintauchen und sein Potenzial zur Ausführung anderer Aufgaben bewerten.
Die Forschungsergebnisse wurden in Cell Reports Physical Science veröffentlicht .
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