研究人员开发新材料：模仿人脑的水凝胶具有记忆和遗忘功能

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。

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。

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。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。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。

该团队表明，在水凝胶中建立的记忆对于温度波动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。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。

相关的实验数据及详细的原理论证已发表在PNAS期刊上。