Жодної електрики: вчені перетворили звичайні гриби шиїтаке на живі комп’ютери
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2Faa3e827a22f95c953521e27b69bcef4a.png)
Ви можете виростити комп’ютер на кухонній стільниці. Саме таким є радикальний висновок нового дослідження Університету штату Огайо, де вчені перетворили звичайні гриби шиїтаке на живі електронні пристрої, здатні запам’ятовувати інформацію. У новому дослідженні психіатр і науковий співробітник Джон ЛаРокко та його колеги описують обчислювальну систему на основі грибів, яка імітує спосіб обробки інформації нейронами.
“Можливість створювати мікрочипи, які імітують реальну нейронну активність, означає, що вам не потрібно багато енергії в режимі очікування або коли машина не використовується, — сказав ЛаРокко. — Це може дати величезну потенційну обчислювальну та економічну перевагу”.
Мемристори — скорочення від “резисторів пам’яті” — є своєрідними аналогами мозку в нейроморфних обчисленнях, здатними навчатися на основі попередніх електричних станів. Традиційні версії виготовляють із кремнію або оксидів металів, для чого потрібні дорогі виробництва та рідкісноземельні мінерали. Команда Університету штату Огайо вирішила замінити все це грибами. А чому б і ні?
Поява “грибних мемристорів”
Зокрема, вчені звернулися до грибів шиїтаке (Lentinula edodes), відомих своєю витривалістю та незвичайною чутливістю до електричних стимулів. Дослідники вирощували гриби в чашках Петрі, наповнених фарро, зародками пшениці та сіном, доки міцелій не сформував щільний білий шар. Потім вони висушували зразки на сонячному світлі, повторно зволожували їх рівно настільки, щоб відновити провідність, і підключали до схеми на базі Arduino. У результаті вони отримали мемристор — свого роду крихітну біоелектронну нервову клітину, яка могла запам’ятовувати електричні патерни та реагувати на них.
“Ми під’єднували електричні дроти та зонди до різних ділянок грибів, оскільки різні його частини мають різні електричні властивості, — сказав ЛаРокко. — Залежно від напруги та підключення ми отримували різні характеристики”.
На низьких частотах грибні чипи перемикали стани зі швидкістю до 5850 сигналів на секунду з точністю близько 90%. За повільніших змін напруги цей показник зростав до 95%, що наближалося до швидкості й точності ранніх мемристорів на основі кремнію. Подібно до людських синапсів, гриби могли “навчатися” змінювати свій опір під час повторної стимуляції.
Природна друкована плата
Це не перша спроба вчених поєднати гриби та машини. Мікологи й інженери давно цікавляться міцелієм — ниткоподібною підземною мережею, яка дозволяє грибам передавати поживні речовини та сигнали. Вона здатна до самовідновлення, адаптації та передавання крихітних електричних імпульсів, які дуже нагадують нейронні сигнали. Але робота Університету штату Огайо йде далі: дослідники не просто спостерігали за електричною активністю — вони її тренували.
У статті описано систему, у якій кожен грибний диск виконував роль вузла в електричній схемі, здатного до нестабільного збереження пам’яті. Виявилося, що ключову роль відіграє зневоднення: висушування грибів зробило їх довговічними, водночас зберігши їхні електронні властивості. Результати дослідження опубліковані в журналі PLOS One.
“Ми отримали експериментальне підтвердження того, що зневоднення може зберігати властивості, які спостерігалися в раніше “запрограмованому” зразку”, — написала команда у своєму дослідженні.
Гриби шиїтаке мають і деякі інші чудові властивості. Вони стійкі до радіації, частково завдяки сполуці під назвою лентинан, яка допомагає їм витримувати окиснювальний стрес. Це відкриває можливості для застосування за межами Землі.
“Шиїтаке продемонстрував стійкість до радіації, що свідчить про його придатність для аерокосмічних застосувань”, — зазначили автори.
Крім того, екологічні переваги грибної електроніки не менш переконливі. Традиційне виробництво напівпровідників потребує величезної кількості енергії та створює електронні відходи, що містять важкі метали. Міцелій, навпаки, росте за кімнатної температури та природним чином розкладається.
“Суспільство дедалі більше усвідомлює необхідність захищати довкілля та забезпечити його збереження для майбутніх поколінь, — сказала Кудсія Тахміна, співавторка дослідження та доцентка кафедри електротехніки й комп’ютерної інженерії Університету штату Огайо. — Тож це може бути одним із чинників, що стимулюють появу нових біологічно дружніх ідей, подібних до цієї”.
Ще однією перевагою є вартість.
“Усе, що вам потрібно для початку експериментів із грибами та обчисленнями, може бути розміром із компостну купу та саморобну електроніку або ж являти собою велику фабрику з вирощування з готовими шаблонами, — сказав ЛаРокко. — Усе це можна реалізувати за допомогою ресурсів, які ми маємо просто перед собою”.
Обмеження та можливості
Будьмо відвертими. Ми не запускатимемо на грибах звичайні застосунки. Дослідники реалістично оцінюють обмеження. Ці прототипи великі та повільні порівняно з комерційними чипами. Зменшення грибних мемристорів до нанометрового масштабу потребуватиме років інженерних розробок та експериментів. Проте навіть у нинішньому вигляді вони є доказом концепції чогось дивовижного: комп’ютерів, які ростуть, адаптуються та розкладаються подібно до живих організмів.
“Грибні системи мають нижчі потреби в енергії, меншу вагу, вищу швидкість перемикання та менші промислові накладні витрати порівняно зі звичайними пристроями, — підсумовують автори у своїй статті. — Майбутнє обчислень може бути грибним”.
Тож, можна уявити носимі пристрої з біорозкладними схемами, які не забруднюють довкілля після утилізації, або електроніку космічних апаратів, здатну самостійно відновлюватися після радіаційного впливу. Системи на основі міцелію одного дня можуть забезпечувати периферійні обчислення, автономні машини і навіть штучні мозки, які еволюціонують у процесі використання.
Джерело: ZME Science