Inteligência Material: Polímero eletroativo aprende a jogar Pong

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/09/2024

Este dispositivo, sem nenhum componente biológico, apresenta um aprendizado adaptativo, similar ao do cérebro humano.
[Imagem: Vincent Strong et al. - 10.1016/j.xcrp.2024.102151]

Inteligência material

Você já deve ter ouvido falar de "materiais vivos", por um lado e, por outro, de componentes eletrônicos capazes de memorizar os dados que passam por eles, chamados memoristores, mas Vincent Strong e colegas da Universidade de Reading, no Reino Unido, foram além desses dois conceitos.

Eles criaram um hidrogel de polímero capaz de memorizar experiências da mesma forma que os neurônios biológicos.

Quando o hidrogel é configurado para jogar o clássico jogo eletrônico Pong, baseado no tênis de mesa, ele melhora seu desempenho ao longo do tempo.

Embora seja simplista dizer que o hidrogel realmente aprende como os humanos e outros seres sencientes, os pesquisadores afirmam que seu material tem implicações para os estudos das redes neurais artificiais, que estão na base da inteligência artificial, e da própria neurociência, uma vez que levanta questões sobre a "simplicidade mínima" que um sistema pode ter e ainda apresentar um comportamento tão complexo quanto o aprendizado.

Um conceito fundamental na área é o de aprendizagem adaptativa, como as sinapses do cérebro mudando de comportamento dependendo da entrada que recebem. Embora as diversas formas de inteligência artificial possam resolver problemas por tentativa e erro sem serem explicitamente programadas com regras predefinidas, elas geralmente não são consideradas adaptativas. Já as redes neurais artificiais, algoritmos de aprendizado de máquina configurados para imitar estruturas encontradas em redes neurais biológicas, como os cérebros, são reconhecidamente adaptativas.

Mal alcançar isto com um sistema material simples é uma novidade.

Diagrama de funcionamento da memória de polímero eletroativo.
[Imagem: Vincent Strong et al. - 10.1016/j.xcrp.2024.102151]

Inteligência in vitro

Uma outra equipe de pesquisadores já havia integrado uma rede neural artificial com um hardware de computação usando um grande aglomerado de neurônios humanos em um chip de silício. Eles então conectaram esse chip a um computador programado para jogar uma versão de Pong, que originalmente envolve um jogador e o computador quicando uma bola eletrônica entre duas raquetes virtuais. Naquele experimento, porém, os pesquisadores simplificaram o jogo para que houvesse apenas uma única raquete em um lado da mesa virtual, imitando um outro jogo, conhecido como paredão.

Para descobrir se a raquete havia acertado a bola, aquela equipe transmitia sinais elétricos para a rede neural por meio do chip. No início, os neurônios não jogavam muito bem, mas aprendiam com o tempo, passando a bater na bola com mais frequência e fazendo mais rebatidas consecutivas.

A explicação dada pela equipe para esse aprendizado se baseou em um conceito que eles chamaram de "energia livre": Os neurônios se esforçariam para minimizar a energia livre e, portanto, "escolheriam" a opção que lhes permitisse fazer isso de forma mais eficiente - casos de inteligência material abundam na natureza, onde a funcionalidade complexa resulta de sistemas materiais simples.

Esta estrutura simples poderá simplificar os programas de inteligência artificial.
[Imagem: Vincent Strong et al. - 10.1016/j.xcrp.2024.102151]

Nova forma de inteligência

Inspirados por aquele experimento e pela técnica empregada, Strong e seus colegas se perguntaram se tal função de memória emergente poderia ser gerada em meios ainda mais simples do que neurônios biológicos em um prato. Para isso, eles escolheram estudar um hidrogel, um polímero complexo que gelifica quando hidratado e que contém íons flutuantes livres.

Esses íons tornam o polímero eletroativo, o que significa que seu comportamento é influenciado por um campo elétrico aplicado. Conforme os íons se movem, eles puxam água com eles, fazendo com que o gel inche na área onde o campo elétrico é aplicado.

Mas há um detalhe: O tempo que leva para o hidrogel inchar é muito maior do que o tempo que leva para ele desinchar. "Isso significa que há uma forma de histerese [retardo na resposta em relação ao estímulo] no movimento do íon porque cada estimulação consecutiva move os íons cada vez menos, à medida que eles se reúnem," explicou Strong. "Isso funciona como uma forma de memória, já que o resultado de cada estimulação no movimento do íon é diretamente influenciado por estimulações anteriores e pelo movimento do íon."

Essa forma de memória permite que o hidrogel acumule experiência sobre como a bola se move e, assim, mova sua raquete com maior precisão. "Os íons dentro do gel se movem de uma forma que mapeia uma memória do movimento da bola não apenas em um dado momento, mas ao longo do jogo inteiro," disse Strong.

Os pesquisadores argumentam que seu hidrogel representa um tipo diferente de "inteligência" que poderia ser usada para desenvolver algoritmos mais simples do que os algoritmos de IA existentes, a maioria dos quais são derivados de redes neurais. E, quanto mais simples o algoritmo, mais rapidamente ele rodará e menos energia seu hardware consumirá.

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