類似大腦記憶功能的水凝膠材料

2020-07-31 光明網

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北海道大學前沿科學研究所（WPI-ICReDD）研究組，前沿生命科學研究科，國際合作研究與教育系我們使用水凝膠構建了一種具有記憶和遺忘功能的設備，水凝膠是類似於大腦的軟物質。

我們大腦的記憶是動態的，具有自願忘記不重要記憶的能力。記憶的遺忘看似不好，但是人們認為大腦會通過遺忘不必要的信息來獲得高信息處理效率。相反，現有的人工存儲元件（例如硬碟）是靜態的，並且沒有自願選擇和忘記不必要的存儲器的能力。

該研究小組已經實現了一種動態存儲設備，該設備可以通過使用包含動態鍵（離子鍵，氫鍵等）的水凝膠來忘記不重要的信息。這些水凝膠可以通過熱學來存儲二維圖像信息。以這種方式存儲的信息在一定的信息遺忘時間之後會自動丟失，但是該信息遺忘時間會隨著學習強度的增加而增加，就像人腦一樣。這種動態記憶現象是由熱刺激後在冷卻過程中形成的瞬態結構挫折引起的。

該團隊使用了一種含有稱為多兩性電解質或PA凝膠的材料的水凝膠。基於快速吸水和緩慢放水來實現忘記記憶的行為，這是通過水凝膠中的動態鍵實現的。

類似大腦記憶功能的水凝膠材料類似大腦記憶功能的水凝膠材料

在這項研究中，研究人員在兩個塑料板之間放置了一塊薄的水凝膠。頂板的形狀或字母被切掉，只留下水凝膠的那部分露出來。例如，樣式包括飛機和單詞「 GEL」。他們最初將凝膠放在冷水浴中以建立平衡。然後他們將凝膠移至熱水浴中。凝膠將水吸收到其結構中引起膨脹，但僅在暴露區域膨脹。這將圖案像一條信息一樣印在凝膠上。當凝膠移回到冷水浴中時，由於它們所謂的「結構挫折」，暴露的區域變得不透明，使存儲的信息可見。在低溫下，水凝膠逐漸收縮，釋放出已吸收的水。圖案逐漸消失。凝膠在熱水中停留的時間越長，印記就會越深或越深，因此褪色或「忘記」信息所花費的時間就越長。研究小組還顯示，溫度升高加劇了人們的記憶。

類似大腦記憶功能的水凝膠材料

研究小組表明，在水凝膠中建立的記憶對於溫度波動和較大的物理拉伸是穩定的。更有趣的是，可以通過調整熱學習時間或溫度來對遺忘過程進行編程。例如，當他們對「 GEL」的每個字母應用不同的學習時間時，這些字母依次消失。

這是研究人員第一次提出並實現一個概念，該概念使用柔軟的含水水凝膠來建立類似於記憶的大腦功能。期望將其用作具有選擇信息能力的非平衡智能設備，並用作在一定時間後擦除已寫信息的安全紙。

參考文獻：Hydrogels as dynamic memory with forgetting ability，DOI：10.1073/pnas.2006842117

資料來源：北海道大學網站

https://www.hokudai.ac.jp/news/2020/07/post-703.html

https://www.hokudai.ac.jp/news/pdf/200728_pr.pdf

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