Training and memory in a randomly driven fractal gel
本研究は、X線光子相関分光法を用いることで、フラクタルナノ粒子ゲルが、決定論的な周期的なせん断と比較して速度は遅く不規則ではあるものの、内部応力の再分配を誘発し不可逆的な歪み変位を減少させることにより、ランダムなせん断駆動に対する微細構造の可逆性と記憶を示すよう訓練できることを実証している。
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一見すると固形物のように見えるものの、内部は乱れた状態にある材料（例えば、くしゃくしゃになった紙や、砂がぎっしりと詰まった瓶など）は、単純な論理には従わないような挙動を示すことがよくあります。これらの乱れた物質を押しつぶしたり引き伸ばしたりすると、その内部の微細な部分が移動し、再配置されます。通常、科学者たちは、この再配置は混沌としたものであり、押しや引きのたびに、物質が新しい混乱した状態を残すものだと予想します。しかし、研究者たちは最近、こうした乱れた材料のいくつかが「学習」できることを発見しました。特定の律動と強さで押し戻すと、それらは元の形に戻るように自らを訓練し、使用された正確な力を記憶することができるのです。この現象は「トレーニング（訓練）」として知られており、詰まった粒子や、くしゃくしゃになったシートのようなシステムで観察されてきましたが、それがゲルと呼ばれる柔らかいゼリー状の物質でも起こり得るのか、あるいは、一定の繰り返しのリズムではなく、ランダムで予測不可能な押し方をした場合に起こり得るのかについては、不明なままでした。
物理学者のチームは、この疑問に答えるために、フラクタルゲル（微細なシリカ粒子をミネラルオイルに混ぜて作られた、繊細なスポンジ状のネットワークを持つ物質）を研究することで、これらの問いに挑みました。この目に見えない世界の中で何が起きているのかを見るために、彼らはX線光相関分光法という強力な技術を用いました。非常に集束されたX線ビームをゲルに通し、動いている粒子によって光がどのように散乱するかを観察することを想像してください。散乱した光のパターンを分析することで、研究者たちは粒子の正確な配置を把握し、ゲルが押しつぶされたときに粒子がどのように動いたかを追跡することができました。彼らはゲルの間に2枚のプレートを置き、精密な機械を使用して、下のプレートを前後にスライドさせ、せん断ひずみ（層を互いに滑らせようとする力の一種）を加えました。
研究者たちは、ゲルがどのように反応するかを見るために、2種類の異なる実験を行いました。第一に、予測可能で律動的な押し引きを行い、ゲルを特定の限界まで引き伸ばしてはゼロに戻す、という作業を何度も繰り返しました。第二に、ランダムなアプローチを用いました。ゲルを、上下に揺れ動きながらも、最初の実験と同じ最大限界を超えないような、カオスなパターンで動かしました。彼らは、どちらの方法も有効であることを発見しました。ゲルが一定のリズムで押されたとしても、ランダムウォーク（ランダムな歩行）によって動かされたとしても、内部構造は最終的に可逆的になることを「学習」したのです。つまり、ある一定のサイクルの後では、たとえそこに至る経路が異なっていたとしても、粒子は各引き伸ばしの終了時に始まったのと全く同じ位置へと戻るようになるのです。ゲルは、自身に加えられた力の境界を記憶するように、事実上、自らを訓練したのです。
しかし、ゲルの学習の仕方は、どのように押されたかによって異なりました。力が一定で律動的であったとき、トレーニングは迅速かつスムーズに進みました。ゲルはサイクルごとに可逆的になり、反復するごとに、出発点に戻る精度を高めていきました。力がランダムであったとき、そのプロセスははるかに遅く、不安定でした。ゲルの元の状態に戻る能力は向上したり、時には低下したりしましたが、全体的な傾向としては可訳性の向上に向かっていました。これは、ランダムさが学習プロセスをより乱雑にするものの、ゲルが学習することを妨げるわけではないことを示しています。研究者たちはまた、これらのサイクル中に粒子が不可逆的にどの程度移動したかも測定しました。その結果、ゲルがトレーニングされるにつれて、粒子が永久に移動する距離は減少していき、最終的には、材料が完璧に跳ね返ってくるほど小さくなったことがわかりました。
ゲルが、トレーニングに使用された特定の力の強さを本当に記憶していることを証明するために、チームは「読み出し（リードアウト）」テストを行いました。異なる量の力でトレーニングされたゲルを取り出し、その後、強さが徐々に増していく新しい一連の引き伸ばし実験を行いました。トレーニングされていないゲルでは、粒子を動かすのに十分な強さに達した瞬間に、開始位置と終了位置の相関がすぐに低下しました。しかし、トレーニングされたゲルでは、興味深いことが起こりました。新しい力が、トレーニングされたレベルを下回っている限り、ゲルは驚くほど安定しており、可逆的でした。新しい力が、トレーニングされた限界に達した瞬間に、安定性は崩壊し、相関が急激に低下しました。この急激な低下は、ゲルが経験した歪みの振幅の特定の値を記憶していることを裏付ける、一種の「署名（シグネチャー）」として機能しました。
この研究は、この記憶効果が秩序ある規則的な押し方に限定されず、一定の範囲内に収まっている限り、ランダムでカオスな力によっても誘発され得ることを明らかにしました。ゲルの内部構造は、全体のネットワークや新しい結合の形成といった明らかな変化は見せませんでしたが、ストレスに対する反応は、粒子が力を受け入れるために局所的に再編成されていることを示唆していました。研究者たちは、非常に小さな力に対しては、ゲルはすでに弾性的で可逆的であり、トレーニングの必要がないことを指摘しました。しかし、力が一定の閾値に達すると、可逆性を回復するためにトレーニングが必要になります。これは、ゲルの記憶能力が、物質を完全に破壊してしまうほど強くはないものの、内部の変化を引き起こすほど強く押されたときにのみ現れる、動的なプロセスであることを示唆しています。これらの知見は、無秩序な材料がいかにして機械的な履歴に関する情報を保持するのかという新しい問いを投げかけており、最も混沌としたシステムであっても、学習し適応するという隠れた能力を備えている可能性があることを示唆しています。
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