Вы можете вырастить компьютер на кухонном столе. Ну, вроде того. Таков радикальный вывод нового исследования Университета штата Огайо, в котором ученые превратили скромные грибы шиитаке в живые электронные устройства, способные запоминать информацию.

В своем новом исследовании психиатр и научный сотрудник Джон ЛаРокко и его коллеги описывают компьютерную систему на основе грибов, которая имитирует то, как нейроны обрабатывают информацию.

«Возможность разработки микрочипов, которые имитируют реальную нейронную активность, означает, что вам не нужно много энергии для ожидания или когда машина не используется», — сказал ЛаРокко. «Это то, что может стать огромным потенциальным вычислительным и экономическим преимуществом».

Восхождение на престол

Мемристоры — сокращение от «резисторы памяти» — это мозговые рабочие лошадки нейроморфных вычислений, способные обучаться на предыдущих электрических состояниях. Традиционные версии изготавливаются из оксидов кремния или металлов, рожденных в дорогостоящих литейных цехах и зависящих от редкоземельных минералов. Команда штата Огайо решила заменить все это грибами. Потому что почему бы и нет?

В частности, они обратились к грибам шиитаке (Lentinula edodes ), известны своей стойкостью и своеобразной чувствительностью к электрическим раздражителям. Таким образом, исследователи выращивали грибы в чашках Петри, наполненных фарро, зародышами пшеницы и сеном, пока мицелий не образовал плотный белый коврик. Затем они высушили образцы на солнечном свете, регидратировали их ровно настолько, чтобы восстановить проводимость, и подключили их к цепи, работающей от Arduino. Они получили мемристор — своего рода крошечную биоэлектронную клетку мозга — которая могла запоминать и реагировать на электрические паттерны.

«Мы подключали электрические провода и зонды в разных точках гриба, потому что разные его части имеют разные электрические свойства», — сказал ЛаРокко. «В зависимости от напряжения и возможностей подключения мы наблюдали разную производительность».

На низких частотах грибковые чипы переключались между состояниями со скоростью до 5850 сигналов в секунду с точностью около 90%. При более низких напряжениях это число выросло до 95%, соперничая со скоростью и точностью ранних мемристоров на основе кремния. Как и человеческие синапсы, грибы могут «научиться» регулировать свою сопротивляемость при многократной стимуляции.

Природная печатная плата

Это не первый раз, когда ученые пытаются объединить грибы и машины. Микологи и инженеры уже давно очарованы мицелием, или нитевидной подземной сетью, которая позволяет грибам обмениваться питательными веществами и сигналами. Он самовосстанавливается, адаптируется и может передавать крошечные электрические импульсы, которые очень похожи на нейронное возбуждение.

Но работа в штате Огайо идет дальше: исследователи не просто наблюдали электрическую болтовню — они тренировали ее.

В статье описывается установка, в которой каждый грибковый диск действовал как узел в цепи, способной к энергозависимой памяти. Ключевым фактором оказалось обезвоживание: сушка грибов делала их долговечными, сохраняя при этом электронные свойства. «Мы получили экспериментальное подтверждение того, что обезвоживание может сохранить наблюдаемые свойства в ранее «запрограммированном» образце», — написала команда в своем исследовании.

А грибы шиитаке имеют некоторые замечательные дополнения. Они устойчивы к радиации, отчасти благодаря соединению под названием лентинан, которое помогает им переносить окислительный стресс. Таким образом, это открывает двери для приложений за пределами Земли. «Шиитаке продемонстрировал радиационную стойкость, что говорит о его жизнеспособности для аэрокосмических применений», — отмечают авторы.

Кроме того, экологические аргументы в пользу грибковой электроники не менее убедительны. Традиционное производство полупроводников потребляет энергию и производит электронные отходы с добавлением тяжелых металлов. Мицелий, напротив, растет при комнатной температуре и разлагается естественным образом.

«Общество все больше осознает необходимость защиты окружающей среды и обеспечения ее сохранения для будущих поколений», — сказала Кудсия Тахмина, соавтор и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в штате Огайо. «Так что это может быть одним из движущих факторов для новых биодружественных идей, подобных этим».

Еще одним преимуществом является стоимость. «Все, что вам нужно, чтобы начать изучать грибы и вычислить компьютеры, может быть таким маленьким, как компостная куча и самодельная электроника, или большим, как фабрика по выращиванию с готовыми шаблонами», — сказал ЛаРокко. «Все они жизнеспособны с теми ресурсами, которые у нас есть сейчас».

Ограничения и возможности

Тем не менее, давайте»Будьте откровенны. Вы не будете запускать повседневные приложения на грибах, если только эти приложения не находятся у вас в голове и грибы не являются «волшебными».

Исследователи реалистично оценивают ограничения. Эти прототипы большие и медленные по сравнению с коммерческими чипами. Уменьшение грибковых мемристоров до наноразмеров потребует многих лет инженерии и экспериментов. Тем не менее, даже в своем нынешнем виде они являются доказательством концепции чего-то удивительного: компьютеров, которые растут, адаптируются и разрушаются, как живые существа.

Представьте себе носимые устройства, сделанные из биоразлагаемых схем, которые не загрязняют окружающую среду после выброса, или электронику космического корабля, которая восстанавливается после воздействия радиации. Мицелиальные системы могут в один прекрасный день привести в действие периферийные вычисления, автономные машины и даже искусственный мозг, который эволюционирует по мере использования. Я слышал о более безумных вещах.

«Грибковые системы имеют более низкие требования к мощности, меньший вес, более высокую скорость переключения и меньшие промышленные накладные расходы, чем обычные устройства», — заключают авторы в своей статье. «Будущее компьютеров может быть грибковым».

Результаты исследования были опубликованы в журнале PLOS One .