Никакого электричества: ученые превратили обычные грибы шиитаке в живые компьютеры
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2F77524b8ed234818b6c35182d7efec6d1.png)
Вы можете вырастить компьютер на кухонной столешнице. Именно к такому радикальному выводу пришло новое исследование Университета штата Огайо, в ходе которого учёные превратили обычные грибы шиитаке в живые электронные устройства, способные запоминать информацию. В новом исследовании психиатр и научный сотрудник Джон ЛаРокко и его коллеги описывают вычислительную систему на основе грибов, которая имитирует способ обработки информации нейронами.
«Возможность создавать микрочипы, имитирующие реальную нейронную активность, означает, что не требуется много энергии в режиме ожидания или когда устройство не используется, — сказал ЛаРокко. — Это может дать огромное потенциальное вычислительное и экономическое преимущество».
Мемристоры — сокращение от «резисторов памяти» — представляют собой своеобразные аналоги мозга в нейроморфных вычислениях, способные обучаться на основе предыдущих электрических состояний. Традиционные версии изготавливают из кремния или оксидов металлов, для чего требуются дорогостоящие производственные процессы и редкоземельные минералы. Команда Университета штата Огайо решила заменить всё это грибами. А почему бы и нет?
Появление «грибных мемристоров»
В частности, учёные обратились к грибам шиитаке (Lentinula edodes), известным своей выносливостью и необычной чувствительностью к электрическим стимулам. Исследователи выращивали грибы в чашках Петри, наполненных фарро, зародышами пшеницы и сеном, пока мицелий не сформировал плотный белый слой. Затем они высушивали образцы на солнце, повторно увлажняли их ровно настолько, чтобы восстановить проводимость, и подключали к схеме на базе Arduino. В результате они получили мемристор — своего рода крошечную биоэлектронную нервную клетку, которая могла запоминать электрические паттерны и реагировать на них.
«Мы подключали электрические провода и зонды к разным участкам гриба, поскольку разные его части обладают разными электрическими свойствами, — сказал ЛаРокко. — В зависимости от напряжения и способа подключения мы получали разные характеристики».
На низких частотах грибные чипы переключали состояния со скоростью до 5850 сигналов в секунду с точностью около 90 %. При более медленных изменениях напряжения этот показатель вырастал до 95 %, что приближалось к скорости и точности ранних мемристоров на основе кремния. Подобно человеческим синапсам, грибы могли «учиться» изменять своё сопротивление при повторной стимуляции.
Натуральная печатная плата
Это не первая попытка учёных объединить грибы и машины. Микологи и инженеры давно интересуются мицелием — нитевидной подземной сетью, которая позволяет грибам передавать питательные вещества и сигналы. Она способна к самовосстановлению и адаптации и передача крошечных электрических импульсов, которые очень напоминают нейронные сигналы. Но работа Университета штата Огайо идет дальше: исследователи не просто наблюдали за электрической активностью — они её тренировали.
В статье описана система, в которой каждый грибной диск выполнял роль узла в электрической схеме, способного к нестабильному сохранению памяти. Оказалось, что ключевую роль играет обезвоживание: сушка грибов обеспечила их долговечность, сохранив при этом их электронные свойства. Результаты исследования опубликованы в журнале PLOS One.
«Мы получили экспериментальное подтверждение того, что при обезвоживании могут сохраняться свойства, наблюдавшиеся в ранее «запрограммированном» образце», — написала команда в своём исследовании.
Грибы шиитаке обладают и некоторыми другими замечательными свойствами. Они устойчивы к радиации, отчасти благодаря соединению под названием лентинан, которое помогает им противостоять окислительному стрессу. Это открывает возможности для применения за пределами Земли.
«Шиитаке продемонстрировал устойчивость к радиации, что свидетельствует о его пригодности для применения в аэрокосмической отрасли», — отметили авторы.
Кроме того, экологические преимущества грибной электроники не менее убедительны. Традиционное производство полупроводников требует огромного количества энергии и приводит к образованию электронных отходов, содержащих тяжелые металлы. Мицелий, напротив, растет при комнатной температуре и разлагается естественным образом.
«Общество всё больше осознаёт необходимость защищать окружающую среду и обеспечить её сохранение для будущих поколений, — сказала Кудсия Тахмина, соавтор исследования и доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии Университета штата Огайо. — Поэтому это может быть одним из факторов, стимулирующих появление новых экологически безопасных идей, подобных этой».
Еще одной преимуществом является стоимость.
«Всё, что вам нужно для начала экспериментов с грибами и вычислениями, может быть размером с компостную кучу и самодельную электронику или же представлять собой крупную фабрику по выращиванию с готовыми шаблонами, — сказал ЛаРокко. — Все это можно реализовать с помощью ресурсов, которые у нас есть прямо перед глазами».
Ограничения и возможности
Давайте будем откровенны. Мы не будем запускать на грибах обычные приложения. Исследователи реалистично оценивают ограничения. Эти прототипы крупногабаритны и медленны по сравнению с коммерческими чипами. Уменьшение грибных мемристоров до нанометрового масштаба потребует нескольких лет инженерных разработок и экспериментов. Однако даже в нынешнем виде они являются подтверждением концепции чего-то удивительного: компьютеров, которые растут, адаптируются и разлагаются, подобно живым организмам.
«Грибные системы отличаются более низким энергопотреблением, меньшим весом, более высокой скоростью переключения и меньшими производственными накладными расходами по сравнению с обычными устройствами, — заключают авторы в своей статье. — Будущее вычислений может быть грибным».
Таким образом, можно представить носимые устройства с биоразлагаемыми схемами, которые не загрязняют окружающую среду после утилизации, или электронику космических аппаратов, способную самостоятельно восстанавливаться после радиационного воздействия. Системы на основе мицелия однажды смогут обеспечивать периферийные вычисления, автономные машины и даже искусственные мозги, которые будут эволюционировать в процессе использования.
Источник: ZME Science