北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶

水凝胶像人体组织一样具有软湿的特性,是模仿生物功能的极佳候选者。近期,北海道大学龚剑萍(Jian Ping Gong)教授课题组发现水凝胶材料可像“人脑”一样对信息进行编码、提取和自发地遗忘。

北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶
凝胶的序列遗忘

 

通过学习,人脑能够记住信息,且记住的信息随时间的推移会被人脑自发地遗忘。遗忘可以过滤掉不重要的信息和噪音,从而维持大脑的高效运行。遗忘是一个动态的过程;遗忘时间一般跟学习的时间与学习的状态有关。用人造材料再现动态可控的记忆-遗忘过程具有相当的挑战。龚教授团队近日报道了水凝胶材料能够模仿人脑的动态记忆-遗忘功能,即水凝胶能够“记住”信息,这些信息随着时间的流逝而逐渐消失,且“记忆时间”的长短取决于“学习”的强度。

北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶

龚教授团队指出,基于快速的水吸收与缓慢的水释放,众多含有动态键(如离子键和氢键)的水凝胶皆可实现动态的记忆-遗忘过程。该研究以常见的、含有大量离子键的聚两性电解质水凝胶(PA胶)为例。首先,透明的PA胶在低温水浴中达到平衡。然后,将该凝胶移至高温水浴中进行局部的“热学习”。热学习区域在高温过程中会吸收水分,发生微小膨胀,从而“记住”相应的信息。当该PA胶转移至低温水浴时,经热学习的区域会由透明转变为浑浊,实现信息的读取(图1)。浑浊区域在低温下处于非稳态,会收缩回复,并释放水分,自发地转变为透明的稳定状态,从而实现信息的动态遗忘过程(图2)。其中,该过程只涉及物理变化。高温与低温的选择是任意的,较小的温差就能产生明显的透明度变化。凝胶的热学习时间越长或者热学习温度越高可产生更强的记忆印记,因此遗忘的时间也越长(图2)。

北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶
图1、凝胶的热学习过程及记忆

凝胶记忆对于温度波动的稳定性

该团队表明,在水凝胶中建立的记忆对于温度波动(图1)和大的物理拉伸是稳定的。更有趣的是,遗忘过程可以通过调节热学习时间或热学习温度来调控。例如,在PA凝胶中,对“GEL”的每个字母使用不同的学习时间时,这些字母会依次消失(图3)。因此,通过调控凝胶不同区域的热学习时间或者热学习温度,就可以实现不同区域信息的序列遗忘。

北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶
图2、凝胶的自发遗忘过程(tL,tF,TL,TF分别为学习时间,遗忘时间,学习温度和遗忘温度。)
北海道大学龚剑萍团队:具有像“人脑”一样记忆和遗忘行为的水凝胶
图3、凝胶的序列遗忘过程

 

相关的实验数据及详细的原理论证已发表在PNAS期刊上(DOI: 10.1073/pnas.2006842117)。文章的第一作者是博士研究生余承涛,通讯作者为崔昆朋助理教授龚剑萍教授

课题组介绍:

龚教授课题组当前的主要研究方向之一是建构多尺度结构与水凝胶性能的联系。譬如,粘弹性水凝胶的多尺度结构与增韧(Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 185501; Macromolecules 2019, 52, 7369; Macromolecules 2020, 53, 5116)、抗疲劳(PNAS 2020, 117, 7606)和膨胀/收缩动力学(本论文及相关工作)之间的关系。以期用多尺度结构的观点,指导水凝胶的设计与多功能应用。

 

原文链接:

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

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