会打乒乓球游戏的“水凝胶”：高分子科学与人工智能的奇妙结合

作者 李传福

在人工智能与材料科学的交叉领域，一项令人兴奋的突破正在发生。最近，雷丁大学Yoshikatsu Hayashi团队的研究成果——会打乒乓球游戏的“水凝胶”——被《自然》杂志报道。

Yoshikatsu Hayashi团队将生物神经网络中的记忆和计算理论应用到了一种特殊的材料——离子活性聚合物水凝胶上。这种水凝胶能够通过离子迁移和结构重组来响应外部刺激，并在储层计算和无监督学习技术的辅助下，展现出类似记忆的功能。

在实验中，研究团队将这种水凝胶嵌入到了乒乓模拟游戏中。游戏环境被编码成电信号，刺激水凝胶，而水凝胶中的离子浓度变化则被用来控制游戏中的球拍移动。通过这种方式，水凝胶不仅能够“玩”游戏，还能通过不断的尝试和错误来提高自己的游戏表现。

水凝胶中的记忆机制基于离子迁移和电导率的测量。在电场刺激下，水凝胶中的氢离子会迁移以最小化系统的自由能，导致局部变形和离子浓度的变化。这种离子的重新分布形成了一种记忆状态，使得水凝胶能够对之前的电刺激产生响应。

实验中使用了多电极阵列来实现计算机与水凝胶之间的闭环通信。计算机根据游戏环境输出电信号，而水凝胶则通过离子浓度的变化来提供反馈，从而控制游戏中的球拍移动。

通过不断的游戏实践，水凝胶逐渐提高了自己的游戏表现。这种自我学习的能力，虽然与人类或动物的学习方式不同，但它展示了智能材料在复杂任务中的潜力。

这项研究不仅为智能材料的应用开辟了新的可能性，也为我们理解自然界中的涌现计算提供了新的视角。随着科技的发展，我们有理由相信，未来将会出现更多能够执行复杂任务的智能材料，它们将在医疗、工业、环境监测等多个领域发挥重要作用。