Самообучающийся гидрогель: как полимер имитирует мозг без программирования, играя в Pong?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В мире, где технологии развиваются с головокружительной скоростью, создание искусственного интеллекта, способного соперничать с человеческим, остается одной из самых амбициозных задач. Ученые всего мира исследуют разные подходы, и одним из наиболее перспективных является изучение биологических нейронных сетей (БНС).

Мозг — это сложнейшая система, состоящая из миллиардов нейронов, соединенных между собой триллионами синапсов. Именно эта сложная сеть обеспечивает нам способность мыслить, учиться, адаптироваться к изменениям. Но как воспроизвести такую сложную структуру в искусственной системе?

Мозг из гидрогеля, иллюстрация
Мозг из гидрогеля, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
От кремния к гелю

Большинство современных компьютеров основаны на кремниевых чипах. Однако, ученые все чаще обращаются к альтернативным материалам, чьи свойства ближе к живой материи. Одним из таких материалов являются электроактивные полимерные гидрогели (ЭАП).

Представьте себе желеобразное вещество, которое способно менять форму под воздействием электричества. Это и есть ЭАП. Уникальность этих материалов заключается в том, что внутри них происходит миграция ионов — заряженных частиц. Под воздействием электрического поля ионы перераспределяются, изменяя форму геля.

На диаграммах показано, как на движение ионов влияет внешняя стимуляция с помощью электрического поля и регистрация с помощью электрического тока. При стимуляции ионы будут собираться между парой электродов из других мест геля EAP. По мере увеличения концентрации ионов в этом месте увеличивается и проводимость; увеличение проводимости можно измерить как увеличение силы электрического тока, когда параллельно этому месту прикладывается небольшое напряжение через вторичную электродную пару.
На диаграммах показано, как на движение ионов влияет внешняя стимуляция с помощью электрического поля и регистрация с помощью электрического тока. При стимуляции ионы будут собираться между парой электродов из других мест геля EAP. По мере увеличения концентрации ионов в этом месте увеличивается и проводимость; увеличение проводимости можно измерить как увеличение силы электрического тока, когда параллельно этому месту прикладывается небольшое напряжение через вторичную электродную пару.
Автор: Strong et al., Electro-active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embodied in a simulated game environment, Cell Reports Physical Science (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151 CC-BY 4.0 Источник: www.cell.com

Но самое интересное — динамика движения ионов напоминает формирование памяти. Именно это свойство привлекло внимание ученых из Университета Рединга, которые решили проверить, можно ли использовать ЭАП для создания искусственного интеллекта.

Pong как полигон для искусственного интеллекта

Чтобы проверить гипотезу, исследователи создали уникальную экспериментальную установку. В качестве «мозга» был использован ЭАП гидрогель, помещенный в многоэлектродную решетку (МЭР). Эта решетка позволила ученым точно контролировать электрическую стимуляцию геля и регистрировать изменения концентрации ионов.

(A) Схема связи между компонентами системы и разделение электродов на области. Электроды делятся на приводные, которые обеспечивают стимуляцию, и чувствительные, которые измеряют потребление электрического тока. Движущие электроды управляются реле, которые направляют электрическое поле (20 В через гидрогелевый диск толщиной 10 мм). Чувствительные электроды обеспечивают небольшое напряжение (2 В), а потребление электрического тока измеряется датчиком электрического тока. Реле и датчики управляются микроконтроллером, который, в свою очередь, управляется компьютером и игровой средой Pong. (B) Блок-схема информационного пути от среды игры Pong на компьютере к гидрогелю, содержащему ионы.
(A) Схема связи между компонентами системы и разделение электродов на области. Электроды делятся на приводные, которые обеспечивают стимуляцию, и чувствительные, которые измеряют потребление электрического тока. Движущие электроды управляются реле, которые направляют электрическое поле (20 В через гидрогелевый диск толщиной 10 мм). Чувствительные электроды обеспечивают небольшое напряжение (2 В), а потребление электрического тока измеряется датчиком электрического тока. Реле и датчики управляются микроконтроллером, который, в свою очередь, управляется компьютером и игровой средой Pong. (B) Блок-схема информационного пути от среды игры Pong на компьютере к гидрогелю, содержащему ионы.
Автор: Strong et al., Electro-active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embodied in a simulated game environment, Cell Reports Physical Science (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151 CC-BY 4.0 Источник: www.cell.com

В качестве «полигона» для искусственного интеллекта была выбрана игра Pong — классический пример задачи, используемой для обучения компьютерных систем. Положение мяча в игре кодировалось в виде электрических импульсов, подающихся на разные участки геля. В ответ на эти сигналы гель изменял свою форму, а МЭР регистрировала изменения концентрации ионов. Эти данные использовались для управления виртуальной ракеткой в игре.

Гель учится на своих ошибках

В ходе экспериментов ученые наблюдали поразительную картину: с течением времени гидрогель начал играть в Pong все лучше и лучше. Ракетка все чаще отбивала мяч, а продолжительность розыгрышей значительно увеличилась.

Важно отметить, что обучение происходило без какого-либо внешнего подкрепления — гидрогель не получал «награды» за успешные действия и «наказания» за промахи. Это говорит о том, что он способен адаптироваться к окружающей среде и изменять свое поведение на основе полученного опыта.

Новый взгляд на искусственный интеллект

Результаты исследования британских ученых открывают новые перспективы в области создания искусственного интеллекта. Они показывают, что вместо сложных алгоритмов и машинного обучения можно использовать принципы самоорганизации и адаптации, характерные для живой материи.

Изображение, показывающее аппарат MEA (справа) вместе с блоком питания (в середине) и управляющим компьютером (слева). Управляющий компьютер показывает игру Pong и значения датчиков на рабочем столе. Блок питания подает напряжение стимуляции (20 В) и сенсорное напряжение (2 В) на аппарат MEA.
Изображение, показывающее аппарат MEA (справа) вместе с блоком питания (в середине) и управляющим компьютером (слева). Управляющий компьютер показывает игру Pong и значения датчиков на рабочем столе. Блок питания подает напряжение стимуляции (20 В) и сенсорное напряжение (2 В) на аппарат MEA.
Автор: Strong et al., Electro-active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embodied in a simulated game environment, Cell Reports Physical Science (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102151 CC-BY 4.0 Источник: www.cell.com

Возможно, именно активные материалы, такие как ЭАП гидрогели, станут основой для создания нового поколения искусственного интеллекта — более гибкого, адаптивного и, возможно, даже способного к творчеству.

На пути к «мыслящему» гелю

Конечно, до создания полноценного искусственного интеллекта на основе ЭАП еще далеко. Но исследование британских ученых — это важный шаг в этом направлении. В будущем исследователи планируют усовершенствовать экспериментальную установку и проверить возможности «мыслящего» геля в решении более сложных задач.

Важным направлением дальнейших исследований станет изучение механизмов формирования «памяти» в ЭАП гидрогелях. Возможно, понимание этих процессов позволит создать материалы с еще более высокой способностью к обучению и адаптации.

Исследование британских ученых — это яркий пример того, как фундаментальные научные исследования могут привести к созданию новых технологий, которые изменят наш мир.

1 комментарий

J
Не мыслящий гель а полимер) Мат.часть знать надо) Почитайте труды академика Сеченова и Харитона Захарова)

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Франсезинья: как мясной сэндвич под расплавленным сыром и горячим соусом стал гастрономическим символом Порту

У франсезиньи странные отношения со словом «сэндвич». Формально всё сходится: есть два ломтя хлеба, между ними мясо, сверху сыр. Но стоит блюду появиться на столе, и привычная логика бутерброда...

Две кабины и водяной балласт: как работает фуникулёра в Солтберне

У верхней станции фуникулёра в английском Солтберне перед отправлением открывают водяной клапан. Вода поступает в бак под пассажирским салоном, а через минуту вагон оказывается у морской...

Зачем в Германии построили башню, в которой роняют научные приборы

На территории Бременского университета стоит узкая башня высотой 146 метров. Внутри неё регулярно поднимают капсулу с научным оборудованием, а затем отпускают. Во время свободного падения внутри...

Обзор механической клавиатуры EPOMAKER RT75

EPOMAKER RT75 — это компактная механическая клавиатура в формате 75%, которая предлагает не только привычный набор функциональных клавиш, но и возможность немного изменить её...

Могли ли кометы принести на Землю молекулы для жизни? 100 тысяч симуляций показали обратное

Более ста лет в науке о происхождении жизни существовала гипотеза о том, что первые сложные органические вещества попали на молодую Землю из космоса. Около четырех с половиной миллиардов лет назад,...

Polaroid: как фотоаппарат сразу печатал готовые снимки, ведь в нем не было картриджей с краской

Как Polaroid практически моментально выдавал готовые фотографии не имея внутри фотоаппарата чернил и картриджей? О технологии, где фотолаборатория была встроена в саму карточку.