Questa scoperta apre la strada all’utilizzo di materiali attivi intelligenti come motori chimici per produrre materiali attivi che collegano la forza meccanica con scoperte biologiche nell’accoppiamento chemiomeccanico
La sincronizzazione tra le cellule svolge un ruolo fondamentale nella comunicazione cellula-cellula. Sebbene siano state studiate le comunicazioni elettriche e chimiche, la comunicazione meccanica è stata recentemente riconosciuta come una forma che influenza l'oscillazione chimica all'interno delle cellule; l'oscillazione del calcio delle cellule cardiache è stata alterata dall'oscillazione meccanica esterna.
In uno studio pubblicato su Cell Reports Physical Science (1), un team guidato dal dottor Yoshikatsu Hayashi (2) ha dimostrato che un semplice idrogel - un tipo di materiale morbido e flessibile - può imparare a giocare al semplice gioco per computer degli anni '70 “Pong”. L'idrogel, interfacciato con una simulazione al computer del gioco classico tramite un array multielettrodo personalizzato, ha mostrato prestazioni migliorate nel tempo.
Il dottor Hayashi, ingegnere biomedico presso l'University of Reading’s School of Biological Sciences, ha dichiarato: «La nostra ricerca mostra che anche i materiali molto semplici possono esporre comportamenti complessi e adattivi tipicamente associati ai sistemi viventi o all’intelligenza artificiale sofisticata. Ciò apre interessanti possibilità per lo sviluppo di nuovi tipi di materiali 'intelligenti' in grado di apprendere e adattarsi al loro ambiente».
Si ritiene che il comportamento di apprendimento emergente derivi dal movimento di particelle cariche all'interno dell'idrogel in risposta alla stimolazione elettrica, creando una forma di “memoria” all'interno del materiale stesso.
«Gli idrogel ionici possono raggiungere lo stesso tipo di meccanica della memoria delle reti neurali più complesse», afferma il primo autore e ingegnere robotico, il dottor Vincent Strong dell'University of Reading. «Abbiamo dimostrato che gli idrogel non solo sono in grado di giocare a “Pong”, ma possono effettivamente migliorare nel tempo».
I ricercatori sono stati ispirati da uno studio precedente che aveva dimostrato come le cellule cerebrali poste in una capsula possono imparare a giocare a “Pong” se vengono stimolate elettricamente in modo da fornire loro un feedback sulle loro prestazioni.
Il dottor Yoshikatsu Hayashi, uno degli autori dello studio, spiega: «Il nostro articolo affronta la questione se semplici sistemi artificiali possano calcolare circuiti chiusi simili ai circuiti di feedback che consentono al nostro cervello di controllare i nostri corpi. Il principio di base sia dei neuroni, sia degli idrogel è che la migrazione e la distribuzione degli ioni possono funzionare come una operazione di memoria che può correlarsi con i circuiti sensomotori nel mondo “Pong”. Nei neuroni, gli ioni corrono all'interno delle cellule mentre nel gel corrono fuori».
Poiché la maggior parte degli algoritmi di intelligenza artificiale esistenti derivano da reti neurali, i ricercatori affermano che gli idrogel rappresentano un diverso tipo di “intelligenza” che potrebbe essere utilizzata per sviluppare algoritmi nuovi e più semplici. In futuro, i ricercatori intendono sondare ulteriormente la “memoria” dell'idrogel esaminando i meccanismi alla base della sua memoria e testando la sua capacità di svolgere altri compiti.
Il gel battente imita il tessuto cardiaco
In un recente studio correlato, pubblicato negli atti Proceedings of the National Academy of Sciences, il team del dottor Hayashi, insieme ai colleghi dell'University of Reading, il dottor Zuowei Wang e il dottor Nandini Vasudevan, ha dimostrato come si può insegnare a un diverso materiale idrogel a battere al ritmo di un pacemaker esterno. Questa è la prima volta che questo risultato viene ottenuto utilizzando un materiale diverso dalle cellule viventi.
I ricercatori hanno dimostrato come un materiale idrogel oscilla chimicamente e meccanicamente, proprio come il modo in cui le cellule del muscolo cardiaco si contraggono all’unisono. Forniscono un'interpretazione teorica di questi comportamenti dinamici.
I ricercatori hanno scoperto che applicando compressioni cicliche al gel, potevano sincronizzare le sue oscillazioni chimiche con il ritmo meccanico. Il gel conservava memoria di questo battito trascinato anche dopo l'arresto del pacemaker meccanico.
«Si tratta di un passo significativo verso lo sviluppo di un modello di muscolo cardiaco che un giorno potrebbe essere utilizzato per studiare l'interazione dei segnali meccanici e chimici nel cuore umano», ha affermato il dottor Hayashi. «Si aprono interessanti possibilità per sostituire alcuni esperimenti sugli animali nella ricerca cardiaca con questi modelli di gel alimentati chimicamente».
L'autrice principale dello studio, la dottoressa Tunde Geher-Herczegh (3), ha affermato che i risultati potrebbero fornire nuovi modi per indagare sull'aritmia cardiaca - una condizione in cui il cuore batte troppo velocemente, troppo lentamente o in modo irregolare - che colpisce più di 2 milioni di persone nel Regno Unito.
Secondo la ricercatrice «Un battito cardiaco irregolare può essere gestito con farmaci o con un pacemaker elettrico, ma la complessità delle cellule cardiache biologiche rende difficile studiare i sistemi meccanici sottostanti, indipendentemente dai sistemi chimici ed elettrici del cuore. I nostri risultati potrebbero portare a nuove scoperte e potenziali trattamenti per l’aritmia e contribuiranno alla nostra comprensione di come i materiali artificiali potrebbero essere utilizzati al posto degli animali e dei tessuti biologici, per la ricerca e i trattamenti futuri».
Implicazioni e direzioni future
Questi studi, che collegano concetti di neuroscienza, fisica, scienza dei materiali e ricerca cardiaca, suggeriscono che i principi fondamentali alla base dell’apprendimento e dell’adattamento nei sistemi viventi potrebbero essere più universali di quanto si pensasse in precedenza.
Il gruppo di ricerca ritiene che le loro scoperte potrebbero avere implicazioni di vasta portata per campi che vanno dalla robotica morbida e dalle protesi al rilevamento ambientale e ai materiali adattivi. Il lavoro futuro si concentrerà sullo sviluppo di comportamenti più complessi e sull’esplorazione di potenziali applicazioni nel mondo reale, compreso lo sviluppo di modelli di laboratorio alternativi per far avanzare la ricerca cardiaca e ridurre l’uso di animali negli studi medici.
Riferimenti:
Descrizione foto: Gli scienziati costruiscono un semplice “cervello” di gel capace di imparare. - Credit: University of Reading.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: “Hydrogel brain” learns to play pong