水凝膠像人體組織一樣具有軟濕的特性,是模仿生物功能的極佳候選者。近期,北海道大學(xué)龔劍萍(Jian Ping Gong)教授課題組發(fā)現(xiàn)水凝膠材料可像“人腦”一樣對信息進行編碼、提取和自發(fā)地遺忘。

北海道大學(xué)龔劍萍團隊:具有像“人腦”一樣記憶和遺忘行為的水凝膠
凝膠的序列遺忘

 

通過學(xué)習(xí),人腦能夠記住信息,且記住的信息隨時間的推移會被人腦自發(fā)地遺忘。遺忘可以過濾掉不重要的信息和噪音,從而維持大腦的高效運行。遺忘是一個動態(tài)的過程;遺忘時間一般跟學(xué)習(xí)的時間與學(xué)習(xí)的狀態(tài)有關(guān)。用人造材料再現(xiàn)動態(tài)可控的記憶-遺忘過程具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。龔教授團隊近日報道了水凝膠材料能夠模仿人腦的動態(tài)記憶-遺忘功能,即水凝膠能夠“記住”信息,這些信息隨著時間的流逝而逐漸消失,且“記憶時間”的長短取決于“學(xué)習(xí)”的強度。

北海道大學(xué)龔劍萍團隊:具有像“人腦”一樣記憶和遺忘行為的水凝膠

龔教授團隊指出,基于快速的水吸收與緩慢的水釋放,眾多含有動態(tài)鍵(如離子鍵和氫鍵)的水凝膠皆可實現(xiàn)動態(tài)的記憶-遺忘過程。該研究以常見的、含有大量離子鍵的聚兩性電解質(zhì)水凝膠(PA膠)為例。首先,透明的PA膠在低溫水浴中達到平衡。然后,將該凝膠移至高溫水浴中進行局部的“熱學(xué)習(xí)”。熱學(xué)習(xí)區(qū)域在高溫過程中會吸收水分,發(fā)生微小膨脹,從而“記住”相應(yīng)的信息。當(dāng)該PA膠轉(zhuǎn)移至低溫水浴時,經(jīng)熱學(xué)習(xí)的區(qū)域會由透明轉(zhuǎn)變?yōu)闇啙幔瑢崿F(xiàn)信息的讀?。▓D1)。渾濁區(qū)域在低溫下處于非穩(wěn)態(tài),會收縮回復(fù),并釋放水分,自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯姆€(wěn)定狀態(tài),從而實現(xiàn)信息的動態(tài)遺忘過程(圖2)。其中,該過程只涉及物理變化。高溫與低溫的選擇是任意的,較小的溫差就能產(chǎn)生明顯的透明度變化。凝膠的熱學(xué)習(xí)時間越長或者熱學(xué)習(xí)溫度越高可產(chǎn)生更強的記憶印記,因此遺忘的時間也越長(圖2)。

北海道大學(xué)龔劍萍團隊:具有像“人腦”一樣記憶和遺忘行為的水凝膠
圖1、凝膠的熱學(xué)習(xí)過程及記憶

凝膠記憶對于溫度波動的穩(wěn)定性

該團隊表明,在水凝膠中建立的記憶對于溫度波動(圖1)和大的物理拉伸是穩(wěn)定的。更有趣的是,遺忘過程可以通過調(diào)節(jié)熱學(xué)習(xí)時間或熱學(xué)習(xí)溫度來調(diào)控。例如,在PA凝膠中,對“GEL”的每個字母使用不同的學(xué)習(xí)時間時,這些字母會依次消失(圖3)。因此,通過調(diào)控凝膠不同區(qū)域的熱學(xué)習(xí)時間或者熱學(xué)習(xí)溫度,就可以實現(xiàn)不同區(qū)域信息的序列遺忘。

北海道大學(xué)龔劍萍團隊:具有像“人腦”一樣記憶和遺忘行為的水凝膠
圖2、凝膠的自發(fā)遺忘過程(tL,tF,TL,TF分別為學(xué)習(xí)時間,遺忘時間,學(xué)習(xí)溫度和遺忘溫度。)
北海道大學(xué)龔劍萍團隊:具有像“人腦”一樣記憶和遺忘行為的水凝膠
圖3、凝膠的序列遺忘過程

 

相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)及詳細的原理論證已發(fā)表在PNAS期刊上(DOI: 10.1073/pnas.2006842117)。文章的第一作者是博士研究生余承濤,通訊作者為崔昆朋助理教授龔劍萍教授

課題組介紹:

龔教授課題組當(dāng)前的主要研究方向之一是建構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)與水凝膠性能的聯(lián)系。譬如,粘彈性水凝膠的多尺度結(jié)構(gòu)與增韌(Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 185501; Macromolecules 2019, 52, 7369; Macromolecules 2020, 53, 5116)、抗疲勞(PNAS 2020, 117, 7606)和膨脹/收縮動力學(xué)(本論文及相關(guān)工作)之間的關(guān)系。以期用多尺度結(jié)構(gòu)的觀點,指導(dǎo)水凝膠的設(shè)計與多功能應(yīng)用。

 

原文鏈接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/07/23/2006842117

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