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(duì)信息進(jìn)行編碼、提取和自發(fā)地遺忘。
通過(guò)學(xué)習(xí)，人腦能夠記住信息，且記住的信息隨時(shí)間的推移會(huì)被人腦自發(fā)地遺忘。遺忘可以過(guò)濾掉不重要的信息和噪音，從而維持大腦的高效運(yùn)行。遺忘是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程；遺忘時(shí)間一般跟學(xué)習(xí)的時(shí)間與學(xué)習(xí)的狀態(tài)有關(guān)。用人造材料再現(xiàn)動(dòng)態(tài)可控的記憶-遺忘過(guò)程具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。龔教授團(tuán)隊(duì)近日?qǐng)?bào)道了水凝膠材料能夠模仿人腦的動(dòng)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(shí)間的流逝而逐漸消失，且“記憶時(shí)間”的長(zhǎng)短取決于“學(xué)習(xí)”的強(qiáng)度。
龔教授團(tuán)隊(duì)指出，基于快速的水吸收與緩慢的水釋放，眾多含有動(dòng)態(tài)鍵（如離子鍵和氫鍵）的水凝膠皆可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的記憶-遺忘過(guò)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(dá)到平衡。然后，將該凝膠移至高溫水浴中進(jìn)行局部的“熱學(xué)習(xí)”。熱學(xué)習(xí)區(qū)域在高溫過(guò)程中會(huì)吸收水分，發(fā)生微小膨脹，從而“記住”相應(yīng)的信息。當(dāng)該P(yáng)A膠轉(zhuǎn)移至低溫水浴時(shí)，經(jīng)熱學(xué)習(xí)的區(qū)域會(huì)由透明轉(zhuǎn)變?yōu)闇啙幔瑢?shí)現(xiàn)信息的讀?。▓D1）。渾濁區(qū)域在低溫下處于非穩(wěn)態(tài)，會(huì)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(shí)現(xiàn)信息的動(dòng)態(tài)遺忘過(guò)程（圖2）。其中，該過(guò)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(shí)間越長(zhǎng)或者熱學(xué)習(xí)溫度越高可產(chǎn)生更強(qiáng)的記憶印記，因此遺忘的時(shí)間也越長(zhǎng)（圖2）。
凝膠記憶對(duì)于溫度波動(dòng)的穩(wěn)定性
該團(tuán)隊(duì)表明，在水凝膠中建立的記憶對(duì)于溫度波動(dòng)（圖1）和大的物理拉伸是穩(wěn)定的。更有趣的是，遺忘過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)熱學(xué)習(xí)時(shí)間或熱學(xué)習(xí)溫度來(lái)調(diào)控。例如，在PA凝膠中，對(duì)“GEL”的每個(gè)字母使用不同的學(xué)習(xí)時(shí)間時(shí)，這些字母會(huì)依次消失（圖3）。因此，通過(guò)調(diào)控凝膠不同區(qū)域的熱學(xué)習(xí)時(shí)間或者熱學(xué)習(xí)溫度，就可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域信息的序列遺忘。
相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及詳細(xì)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與龔劍萍教授。
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(dòng)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(diǎn)，指導(dǎo)水凝膠的設(shè)計(jì)與多功能應(yīng)用。
原文鏈接：
