גם חומר יכול ללמוד

אחת התכונות המהותיות ביותר של יצורים חיים היא היכולת ללמוד מזיכרון העבר – להיתקל במצב חדש, להגיב לו, ולשנות את התגובה, אם יש צורך, כשהמצב חוזר שנית. עבור חוקרים שעוסקים בפיתוח מערכות לומדות מלאכותיות, הזיכרון הוא מכשול לא קטן, כיוון ששיפור בתוצאות תלוי בלמידה ממצבים קודמים. אף שבעיצוב מערכות לומדות שואבים לעיתים השראה מהמוח האנושי, מחקר חדש הדגים מימוש של זיכרון בחומר פשוט בהרבה, והראה שהידרוג'ל – חומר מלאכותי שמגיב לשדה חשמלי – מסוגל לשחק בגרסה פשוטה של משחק מחשב ולהפגין תכונות של זיכרון. 

פונג היה אחד ממשחקי הווידאו הראשונים שזכו לפופולריות בשנות ה-70. מדובר במשחק לשניים, שמזכיר פינג-פונג אמיתי. המסך מחולק לשני חצאים, ומטרתו של כל אחד מהשחקנים היא לחבוט בכדור לעבר חצי המסך של היריב, באמצעות הזזת קו אנכי – שמייצג את המחבט – מעלה ומטה. עליהם לכוון את מיקום המחבט כך שיפגע בכדור כאשר הכדור מגיע לצד שלהם, על מנת לחבוט אותו לכיוון היריב. 

לפני כשנתיים, חוקרים מאוסטרליה הראו שתאי עצב ממקור אנושי שגודלו במעבדה מצליחים לשחק בגרסה של פונג ולהשתפר. התאים יצרו ביניהם רשתות של קשרים המאפשרים תקשורת, בדומה למבנים במוח. הם חוברו למערכת שמדמה את המשחק ונותנת תפקידים שונים לאזורים שונים ברשת התאים. המערכת העניקה משוב חיובי או שלילי בהתאם לפעולת רשת התאים, ובכך יצרה סביבת למידה להצלחה במשחק. וכאמור השנה ניסו חוקרים מבריטניה ללמד חומר מלאכותי בשם הידרוג'ל לבצע משימה דומה.

משחק פונג מקורי מ-1972:

זיכרונות בזרם 

הידרוג'ל הוא ג'ל רך מבוסס מים בעל תכונות יוצאות דופן. הוא מורכב מפולימרים, מולקולות ארוכות המורכבות מיחידות שחוזרות על עצמן, ויוצרות ביחד רשת סבוכה, שבתוכה כלואות מולקולות מים. מבני הקשרים ברשתות מעניקים לג'ל תכונות ייחודיות, כמו היכולת להגיב לשינויים סביבתיים – ביניהם אור, חום וזרם חשמלי. אם לא מופעל על הג'ל מתח חשמלי חיצוני, היונים שבו – חלקיקים נושאי מטען חשמלי – מתפלגים בתוכו באופן אחיד. בהפעלת מתח חשמלי ממקור חיצוני, זרם חשמלי עובר דרך הג'ל, ויוני מימן נודדים ברחבי החומר, גוררים איתם מולקולות מים ויוצרים שינויים בצורת החומר. היונים נעים למיקום בתוך החומר שמאפשר להפחית מכמות האנרגיה שהתווספה למערכת כשהופעל המתח החיצוני. 

כאשר מופעל מתח היונים נעים מהר יחסית ליעד המאזן, אולם כשהמתח מופסק, לוקח להם יותר זמן להתפזר בחזרה ברחבי הג'ל. במקרה כזה, אם נפעיל שוב מתח חיצוני זמן קצר אחרי שהופסק המתח הקודם, היונים עוד לא יספיקו להתפזר ולחזור לגמרי למצב הראשוני – כלומר, עדיין ניכרת בחומר כולו השפעת המתח הקודם. פילוג היונים הלא-אחיד נחשב למעשה "זיכרון" מהמתח הקודם. המתח הראשון ישפיע על תגובת החומר למתח השני, וזה מאפיין של זיכרון. 

בזכות מבני הקשרים ברשת הפולימרים הסבוכה הג'ל יכול להגיב לשינויים סביבתיים. פניני הידרוג'ל | Azizbekpm, Wikimedia

כמו המשחק, בלי הווידאו

בניגוד לחובבי משחקי הווידאו בשנות ה-70, הג'ל לא יכול לראות את הכדור על המסך, כמובן (וגם לא שום דבר אחר). לכן החוקרים יצרו מצב שמזכיר את משחק הפונג בעזרת הדמיה (סימולציה). המגרש של המשחק חולק למספר משבצות, ולג'ל חובר מספר זהה של אלקטרודות שמייצגות מיקום. המתח החשמלי בין האלקטרודות משקף לג'ל את מיקום הכדור במגרש: כאשר הכדור נמצא במשבצת מסוימת, הוא מקבל גירוי חשמלי מהאלקטרודה המתאימה. זהו המערך החשמלי שמספק לג'ל קלט לגבי מצב המשחק.

על מנת שהג'ל יוכל להשתתף במשחק, להגיב למיקום הכדור ולהדוף אותו בחזרה, חובר אליו מערך אלקטרודות שני, ששימש את החוקרים כדי לדמות את המחבט של הג'ל. כל אחת מהאלקטרודות במערך הזה מייצגת חלק מקצה השולחן שבו הג'ל משחק. החוקרים מדדו את הזרם החשמלי שהג'ל העביר באזורים שייצגו את ציר האורך בקצה השולחן, וקבעו שה"מחבט" של הג'ל נמצא בנקודה שבה נמדד הזרם החזק ביותר. 

הניסוי עוצב בצורת "לולאת משוב", כלומר, קלט מבחוץ מפעיל תגובה פנימית בתוך החומר, שבתורו מגיב לקלט, מקבל משוב חיצוני על תגובתו, וכן הלאה. הג'ל מקבל מידע על מיקום הכדור, מספק מידע לגבי מיקום המחבט בתוך ההדמיה, ומקבל חזרה מידע לגבי מיקום הכדור בהמשך לחבטה.

 בסרטון: המדענים תכננו הדמיה שאפשרה לג'ל לשחק בפונג

שיפור באחוזי הפגיעה

"תחילה היונים [במערך המחבט] מתפלגים באופן אחיד, אז המחבט פוגע ומפספס את הכדור," מתאר וינסטנט סטרונג (Strong), הכותב הראשון במאמר. במקרה כזה סיכויי הג'ל "לפגוע" בכדור או "לפספס" אותו היו זהים, והוא הצליח "לפגוע" בכדור בחצי מהמקרים. עם הזמן, ריכוז היונים עלה איפה שהכדור נמצא. כלומר, ביותר מקרים נמצאו המחבט והכדור במיקום תואם, והג'ל הצליח "לפגוע" בכדור. אחוזי הפגיעה בכדור עלו ל-60 אחוזים. 

החוקרים מדדו את אורך המשחק הרציף, כלומר בכמה "מסירות" רצופות הג'ל מצליח "לפגוע" בכדור. הם הראו שהודות לתכונות הזיכרון, הג'ל מצליח "לפגוע" בכדור ואף להשתפר עם הזמן. תוך כחצי שעה של משחק, הגיע הג'ל לרצפים הארוכים ביותר שנמדדו במסגרת המערכת הזאת.

החוקרים מקווים שההוכחה שחומרים מלאכותיים יכולים לזכור, ואף ללמוד מהזיכרון, תקדם אותנו צעד אחד נוסף בדרך לפיתוח יכולות למידה מלאכותית מורכבות, ומערכות לומדות משוכללות יותר.