Исследователи обнаружили, что грибковые сети могут предложить возможную альтернативу некоторым крошечным устройствам на основе металлов, используемым для обработки и хранения цифровой информации, согласно новому исследованию, опубликованному в PLOS ONE.
В исследовании, проведенном учеными из Университета штата Огайо, изучалась возможность использования обычных съедобных грибов для создания органических мемристоров. Мемристор — это электронный компонент, который может запоминать предыдущие электрические состояния даже после отключения питания, что делает его полезным для хранения и обработки информации. Эти устройства считаются важным строительным блоком для будущих вычислительных систем, спроектированных по образцу человеческого мозга.
Эта работа является частью растущей области, известной как биоэлектроника, которая объединяет биологические материалы с электронными системами. Исследователи сосредоточились на грибах шиитаке и шампиньонах, чтобы изучить, можно ли адаптировать их природные электрические свойства для вычислений. Их результаты показали, что мемристоры на основе грибов демонстрировали воспроизводимое поведение памяти, схожее с устройствами на основе полупроводников.
Ученые полагают, что такие системы могут поддерживать нейроморфные вычисления — подход, вдохновленный тем, как мозг обрабатывает информацию. В отличие от традиционных компьютеров, которые разделяют память и обработку на разные компоненты, нейроморфные системы сближают эти две функции. Это позволяет выполнять множество вычислений одновременно, процесс, известный как параллельная обработка, при одновременном снижении количества энергии, необходимой для выполнения определенных задач.
Ведущий автор Джон ЛаРокко, научный сотрудник кафедры психиатрии Медицинской школы Университета штата Огайо, заявил, что этот подход может повысить эффективность будущих вычислительных систем.
«Возможность разрабатывать микросхемы, имитирующие фактическую нейронную активность, означает, что вам не нужно много энергии для режима ожидания или когда машина не используется», — сказал ЛаРокко. «Это может стать огромным потенциальным вычислительным и экономическим преимуществом».
Современные нейроморфные технологии в основном полагаются на полупроводники — материалы, такие как кремний, электрическая проводимость которых может быть точно настроена для обработки цифровой информации. Производство этих чипов часто требует редкоземельных материалов — группы металлических элементов, широко используемых в передовой электронике благодаря их уникальным электрическим и магнитным свойствам. Хотя эти элементы относительно распространены в земной коре, их добыча и переработка могут быть дорогостоящими и энергоемкими.
В другой области исследований используются нейронные органоиды — небольшие трехмерные скопления клеток мозга, выращенные из стволовых клеток, которые могут воспроизводить некоторые особенности человеческого мозга. Однако эти живые ткани необходимо поддерживать в тщательно контролируемых биореакторах, которые регулируют температуру, питательные вещества, кислород и другие условия, необходимые для выживания.
По мнению исследователей, грибковые материалы могут предложить более простую и устойчивую альтернативу. Грибы биоразлагаемы, их можно выращивать, а не производить с помощью энергоемких промышленных процессов, и они могут снизить потребность в некоторых видах сырья, используемого в традиционных электронных устройствах.
ЛаРокко отметил, что грибы ранее изучались для электронных применений, но новое исследование было посвящено тому, насколько далеко можно развить мемристические системы на основе грибов.
«Мицелий как вычислительная подложка исследовался ранее в менее интуитивных установках, но наша работа пытается довести одну из таких мемристических систем до предела», — сказал он.
Исследование было сосредоточено на мицелии гриба — сети тонких, нитевидных грибковых филаментов, которые растут под видимой частью гриба. Мицелий естественным образом переносит слабые электрические сигналы по всей грибковой сети. Эти сигналы напоминают нейронные спайки — кратковременные электрические импульсы, которые нейроны используют для связи по всему мозгу и нервной системе.
Чтобы исследовать, можно ли использовать эти естественные электрические сигналы для вычислений, исследователи культивировали образцы грибов шиитаке и шампиньонов. После созревания грибы обезвоживали, удаляя содержание воды для сохранения грибкового материала при сохранении его электрических свойств в течение более длительного времени. Затем команда соединила грибы с электронными схемами с помощью электродов — проводящих компонентов, которые позволяют электрическим сигналам входить, выходить или измеряться в материале. Для изучения реакции грибов применялись различные электрические напряжения и частоты.
«Мы подключали электрические провода и щупы к разным точкам на грибах, потому что разные части его обладают разными электрическими свойствами», — сказал ЛаРокко. «В зависимости от напряжения и соединений мы наблюдали разную производительность».
В течение двухмесячного периода тестирования исследователи оценивали мемристоры на основе грибов в качестве оперативной памяти (RAM) — типа компьютерной памяти, которая временно хранит данные во время работы программного обеспечения. Исследование показало, что устройства могут переключаться между электрическими состояниями на частотах до 5,85 кГц, что означает, что они меняли состояния около 5850 раз в секунду. Во время этих тестов они достигали точности 90 ± 1%, что указывает на то, что устройства работали правильно около 90% времени, с лишь небольшими отклонениями между повторяющимися экспериментами.
Производительность снижалась по мере увеличения электрической частоты. Однако исследователи обнаружили, что добавление большего количества грибов в схему улучшало результаты — поведение, которое они сравнили со способом совместной работы групп нейронов в мозге.
Соавтор Кудсия Тахмина, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Огайо, заявила, что результаты демонстрируют, что грибы можно программировать и сохранять для выполнения функций, которые обычно не ассоциируются с биологическими материалами.
«Общество все больше осознает необходимость защиты нашей окружающей среды и обеспечения ее сохранения для будущих поколений», — сказала Тахмина. «Так что это может быть одним из движущих факторов новых биодружественных идей, подобных этим».
Исследователи отметили, что гибкость грибковых материалов может позволить адаптировать будущие системы для различных применений. Более крупные грибковые сети потенциально могут поддерживать граничные вычисления (edge computing), где данные обрабатываются ближе к месту их сбора, а не полностью полагаются на удаленные центры обработки данных. Это может уменьшить задержки и снизить сетевой трафик. Меньшие грибковые системы в конечном итоге могут найти применение в автономных системах и носимых устройствах.
Исследование также указывает на другую характеристику шиитаке, которая может сделать его полезным за пределами традиционных вычислений. Предыдущие исследования показали, что шиитаке обладает радиационной стойкостью, то есть он может продолжать функционировать после воздействия уровней ионизирующего излучения, которое может повредить многие электронные системы. Поскольку космические аппараты работают в средах, где радиация является постоянной проблемой, исследователи предполагают, что грибковые вычислительные материалы в конечном итоге могут найти применение в аэрокосмической отрасли. Однако в текущем исследовании не проводилось прямого тестирования вычислительных устройств на основе грибов в условиях космоса.
Несмотря на эти результаты, исследователи отмечают, что грибковые компьютеры все еще находятся на ранней стадии разработки. Мемристоры на основе грибов, использовавшиеся в экспериментах, все еще намного больше компонентов, используемых в современных электронных устройствах. Будущие исследования будут сосредоточены на улучшении методов культивирования грибов, уменьшении размера устройств, повышении их производительности и понимании того, как можно более точно контролировать электрическую сигнализацию грибов.
В целом, результаты показывают, что грибы могут стать масштабируемой и экологически чистой платформой для нейроморфных вычислений. Сочетая естественное электрическое поведение мицелиальных сетей с биоэлектроникой, исследователи надеются разработать новые формы нетрадиционных вычислений — область, которая исследует альтернативы традиционным кремниевым компьютерам путем использования биологических материалов и других нетрадиционных систем для обработки информации.
ЛаРокко сказал, что исследования в области грибковых вычислений могут проводиться с использованием ресурсов, начиная от мелкомасштабных экспериментов и заканчивая более крупными производственными мощностями.
«Все, что вам нужно, чтобы начать изучать грибы и вычисления, может быть размером с компостную кучу и некоторую самодельную электронику, или же это может быть фабрика по культивированию с готовыми шаблонами», — сказал ЛаРокко. «Все это осуществимо с теми ресурсами, которые у нас есть сейчас».
Источник: Ohio State University, PLOS
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
