젤 덩어리 두뇌: 하이드로젤은 공의 모든 움직임의 메모리를 수집한다.

전극 배열을 통해 게임의 수정된 버전과 인터페이스했을 때, 간단한 폴리머 하이드로젤은 정확도가 측정 가능하게 증가하여 랠리가 더 길어졌다. 이는 매우 기본적인 재료에서도 기억할 수 있는 능력을 보여주는 결과이다.

물론 이 젤은 인공 뇌와는 거리가 멀지만, 새롭게 발견된 능력은 연구 개발에 대한 몇 가지 매혹적인 새로운 길을 시사한다.

"우리 연구에 따르면 매우 단순한 재료조차도 일반적으로 생명체나 정교한 AI와 관련된 복잡하고 적응적인 행동을 보일 수 있다."라고 영국 레딩 대학교의 생물의학 엔지니어 요시카츠 하야시가 설명한다.

"이것은 학습하고 환경에 적응할 수 있는 새로운 유형의 '스마트' 재료를 개발할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어준다."

문제의 하이드로젤은 전기 활성 폴리머 또는 EAP를 기반으로 한다. 이는 전류가 가해지면 크기나 모양이 바뀌는 폴리머이며, 일반적으로 일종의 인공 근육으로 액추에이터와 센서에 사용된다.

2022년에 연구진은 접시에 있는 인간 뇌 세포 덩어리가 픽셀 "패들"로 간단한 픽셀 "공"을 치는 데 성공했는지 여부를 알려주는 피드백을 제공함으로써 퐁을 하도록 가르칠 수 있음을 보여주었다.

레딩 대학교의 생물의학 엔지니어 빈센트 스트롱, 윌리엄 홀더바움, 하야시는 인간의 뇌 조직보다 훨씬 단순한 것에서 유사한 학습 능력을 입증할 수 있는지 알아보고 싶어했다.

EAP 하이드로젤은 논리적인 테스트 대상이었다. 가교된 폴리머 사슬의 하이드로젤 매트릭스 내에 있는 이온(전하를 띤 입자)은 전류가 가해지면 움직이며, 이로 인해 젤의 모양이 바뀐다.

이전에 하야시와 다른 팀은 이 현상을 이용하여 하이드로젤이 심장 박동과 동기화되어 뛰는 방식, 즉 심장이 뛰는 방식, 즉 확장 및 수축하는 방식을 구현할 수 있음을 보여주었다.

그들은 이 연구 과정에서 연구자들이 심장 박동을 멈춘 후에도 폴리아크릴아마이드 하이드로젤이 박동에 대한 "기억"을 유지한다는 것을 알아냈다.

"하이드로젤이 부풀어 오르는 속도는 처음에 부풀어 오르는 데 걸리는 시간보다 훨씬 더 오래 걸리므로 이온의 다음 움직임은 이전 움직임의 영향을 받는데, 이는 일종의 기억이 발생하는 것과 같다."라고 스트롱이 설명한다.

"하이드로젤 내에서 이온이 계속 재배열되는 것은 하이드로젤 내에서 이전에 일어난 재배열에 기반을 두고 있으며, 처음 만들어졌을 때로 거슬러 올라가 이온이 균일하게 분포된다."

연구원들은 하이드로젤을 다음 단계로 끌어올리기 위해 특수 인터페이스와 퐁 게임을 개량하여 디지털 코트의 반대쪽 벽에서 탁구를 하듯 하나의 패들만 튀어오르게 했다.

그들은 전기 자극을 사용하여 젤에 공의 무작위 위치를 알리고 이온의 흐름을 측정하여 패들의 위치를 ​​측정했다. 또한 각 랠리가 얼마나 오래 지속되는지 관찰했다. 즉, 젤로 제어되는 패들과 벽 사이에서 앞뒤로 교환하는 것을 놓치지 않고 수행했으며 랠리가 시간이 지남에 따라 길어지는 것을 발견했다.

젤이 퐁의 최고 기술 수준에 도달하는 데 약 20분이 걸렸다.

스트롱은 "시간이 지남에 따라 공이 움직이면서 젤은 모든 움직임의 메모리를 수집한다. 그런 다음 패들은 시뮬레이션된 환경 내에서 해당 공을 수용하도록 움직인다."라고 말한다. "이온은 시간이 지남에 따라 모든 움직임의 메모리를 매핑하는 방식으로 움직이며 이 "메모리"는 향상된 성능을 가져온다."

연구자들은 이 기억이 재료가 특별히 설계되거나 훈련되지 않은 새로운 능력의 증거라고 말한다. 하지만 그렇다고 해서 재료가 의식이 있거나 의도적으로 행동한다는 것은 아니다. 그저 재료가 물리적 영향에 대한 인상을 유지했을 뿐이다. 주름진 베개에 누워서 뺨의 피부에 대해 말할 수 있는 것이다.

하지만 이 발견은 여전히 ​​멋지다. 확실히 탐구할 수 있는 몇 가지 흥미로운 길을 열어준다. 그 중 가장 중요한 것은 기억의 메커니즘을 결정하고 다른 작업을 수행하도록 훈련할 수 있는지 여부이다.

스트롱은 "우리는 기억이 하이드로젤 내에서 새로운 것으로 나타났지만, 다음 단계는 학습이 일어나고 있다는 것을 구체적으로 보여줄 수 있는지 확인하는 것이다."라고 말한다.

이 연구는 Cell Reports Physical Science에 게재되었다.