Hydrogel-Material zeigt unerwartete Lernfähigkeiten

In einer Studie veröffentlicht22. August in Zellberichte Physikalische Wissenschafthat ein Team unter der Leitung von Dr. Yoshikatsu Hayashi gezeigt, dass ein einfaches Hydrogel – eine Art weiches, flexibles Material – lernen kann, das einfache Computerspiel „Pong“ aus den 1970er Jahren zu spielen. Das Hydrogel, das über ein speziell angefertigtes Multielektrodenarray mit einer Computersimulation des klassischen Spiels verbunden war, zeigte mit der Zeit eine verbesserte Leistung.

Dr. Hayashi, ein Biomedizintechniker an der School of Biological Sciences der University of Reading, sagte: „Unsere Forschung zeigt, dass selbst sehr einfache Materialien komplexe, adaptive Verhaltensweisen aufweisen können, die normalerweise mit lebenden Systemen oder hochentwickelter KI in Verbindung gebracht werden.“

„Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger ‚intelligenter‘ Materialien, die lernen und sich an ihre Umgebung anpassen können.“

Das entstehende Lernverhalten entsteht vermutlich durch die Bewegung geladener Teilchen im Hydrogel als Reaktion auf elektrische Stimulation, wodurch im Material selbst eine Art „Gedächtnis“ entsteht.

„Ionische Hydrogele können die gleiche Art von Gedächtnismechanismen erreichen wie komplexere neuronale Netzwerke“, sagt Erstautor und Robotikingenieur Vincent Strong von der University of Reading. „Wir haben gezeigt, dass Hydrogele nicht nur Pong spielen können, sondern mit der Zeit sogar besser darin werden können.“

Inspiriert wurden die Forscher durch eine frühere Studie, die gezeigt hatte, dass Gehirnzellen in einer Schale das Pong-Spiel erlernen können, wenn sie elektrisch stimuliert werden und so eine Rückmeldung zu ihrer Leistung erhalten.

„Unser Artikel beschäftigt sich mit der Frage, ob einfache künstliche Systeme geschlossene Schleifen berechnen können, die den Rückkopplungsschleifen ähneln, die es unserem Gehirn ermöglichen, unseren Körper zu steuern“, sagte Dr. Hayashi, einer der korrespondierenden Autor der Studie.

„Das Grundprinzip sowohl bei Neuronen als auch bei Hydrogelen besteht darin, dass Ionenwanderung und -verteilung als Gedächtnisfunktion fungieren können, die mit sensorisch-motorischen Schleifen in der Pong-Welt korrelieren kann. Bei Neuronen bewegen sich die Ionen innerhalb der Zellen. Im Gel bewegen sie sich außerhalb.“

Da die meisten bestehenden KI-Algorithmen auf neuronalen Netzwerken basieren, sind Hydrogele nach Ansicht der Forscher eine andere Art von „Intelligenz“, die zur Entwicklung neuer, einfacherer Algorithmen verwendet werden könnte. In Zukunft wollen die Forscher das „Gedächtnis“ des Hydrogels weiter erforschen, indem sie die Mechanismen hinter seinem Gedächtnis untersuchen und seine Fähigkeit testen, andere Aufgaben auszuführen.

Schlagendes Gel ahmt Herzgewebe nach

In einer kürzlich durchgeführten Studie veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenDr. Hayashis Team hat zusammen mit seinen Kollegen Dr. Zuowei Wang und Dr. Nandini Vasudevan aus Reading gezeigt, wie man einem anderen Hydrogelmaterial beibringen kann, im Rhythmus eines externen Herzschrittmachers zu schlagen. Dies ist das erste Mal, dass dies mit einem anderen Material als lebenden Zellen erreicht wurde.

Die Forscher zeigten, wie ein Hydrogelmaterial chemisch und mechanisch schwingt, ähnlich wie sich Herzmuskelzellen im Gleichtakt zusammenziehen. Sie lieferten eine theoretische Interpretation dieser dynamischen Verhaltensweisen.

Die Forscher fanden heraus, dass sie durch zyklische Kompression des Gels dessen chemische Schwingungen mit dem mechanischen Rhythmus synchronisieren konnten. Das Gel behielt die Erinnerung an diese synchronisierten Schläge, selbst nachdem der mechanische Herzschrittmacher abgeschaltet wurde.

„Dies ist ein bedeutender Schritt hin zur Entwicklung eines Herzmuskelmodells, das eines Tages zur Untersuchung des Zusammenspiels mechanischer und chemischer Signale im menschlichen Herzen verwendet werden könnte“, sagte Dr. Hayashi. „Es eröffnet spannende Möglichkeiten, einige Tierversuche in der Herzforschung durch diese chemisch betriebenen Gelmodelle zu ersetzen.“

Der Hauptautor der Studie, Dr. Tunde Geher-Herczegh, sagte, die Erkenntnisse könnten neue Wege zur Erforschung von Herzrhythmusstörungen eröffnen, einer Erkrankung, bei der das Herz zu schnell, zu langsam oder unregelmäßig schlägt und von der in Großbritannien mehr als 2 Millionen Menschen betroffen sind.

Sie sagte: „Ein unregelmäßiger Herzschlag kann mit Medikamenten oder einem elektrischen Herzschrittmacher behandelt werden, aber die Komplexität der biologischen Herzzellen macht es schwierig, die zugrunde liegenden mechanischen Systeme unabhängig von den chemischen und elektrischen Systemen im Herzen zu untersuchen.“

„Unsere Erkenntnisse könnten zu neuen Entdeckungen und potenziellen Behandlungsmethoden für Herzrhythmusstörungen führen und zu unserem Verständnis beitragen, wie in Zukunft künstliche Materialien anstelle von Tieren und biologischem Gewebe in der Forschung und bei Behandlungen eingesetzt werden könnten.“

Auswirkungen und zukünftige Richtungen

Diese Studien, die Konzepte aus der Neurowissenschaft, Physik, Materialwissenschaft und Herzforschung verbinden, legen nahe, dass die fundamentalen Prinzipien, die dem Lernen und der Anpassung in lebenden Systemen zugrunde liegen, universeller sein könnten als bisher angenommen.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass seine Erkenntnisse weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Softrobotik und Prothetik bis hin zu Umweltsensorik und adaptiven Materialien haben könnten.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Entwicklung komplexerer Verhaltensweisen und die Erforschung potenzieller Anwendungen in der realen Welt konzentrieren, einschließlich der Entwicklung alternativer Labormodelle zur Förderung der Herzforschung und zur Reduzierung des Einsatzes von Tieren in medizinischen Studien.