Исследователи предполагают, что грибные сети в перспективе могут заменить миниатюрные металлические компоненты, используемые для обработки и хранения компьютерных данных.
Грибы известны своей выносливостью и необычными биологическими свойствами, что делает их привлекательными для биоэлектроники. Эта развивающаяся область объединяет биологию и технологии для создания инновационных, устойчивых материалов для компьютерных систем будущего.
Ученые из Университета штата Огайо недавно обнаружили, что съедобные грибы, такие как шиитаке, можно выращивать и направлять для функционирования в качестве органических мемристоров. Эти компоненты действуют как ячейки памяти, сохраняющие информацию о предыдущих электрических состояниях.
Их эксперименты показали, что устройства на основе грибов способны воспроизводить то же самое поведение памяти, которое наблюдается в полупроводниковых чипах. Они также могут позволить создавать другие экологически чистые, подобные мозгу вычислительные инструменты, производство которых обходится дешевле.
«Возможность разрабатывать микрочипы, имитирующие реальную нейронную активность, означает, что не требуется много энергии в режиме ожидания или когда машина не используется, – поясняет Джон Ларокко, ведущий автор исследования и научный сотрудник в области психиатрии Медицинского колледжа Университета штата Огайо. – Это может стать огромным потенциальным вычислительным и экономическим преимуществом».
Ларокко отметил, что грибная электроника не является совершенно новой идеей, но она становится все более практичной для устойчивых вычислений. Поскольку грибные материалы биоразлагаемы и недороги в производстве, они могут помочь сократить количество электронных отходов. В отличие от этого, обычные полупроводники часто требуют редких минералов и больших затрат энергии на производство и эксплуатацию.
«Мицелий как вычислительный субстрат исследовался и ранее в менее интуитивных конфигурациях, но наша работа стремится довести одну из этих мемристивных систем до предела возможностей», – добавил он.
Результаты работы команды были опубликованы в научном журнале PLOS One.
Чтобы проверить их возможности, исследователи вырастили образцы грибов шиитаке и шампиньонов. После созревания их обезвоживали, чтобы сохранить, а затем прикрепляли к специально разработанным электронным схемам. Грибы подвергались контролируемым электрическим токам различного напряжения и частоты.
«Мы подключали электрические провода и зонды к разным точкам на грибах, поскольку их различные части имеют разные электрические свойства, – объяснил Ларокко. – В зависимости от напряжения и особенностей подключения мы наблюдали различные показатели производительности».
После двух месяцев испытаний исследователи обнаружили, что их мемристор на основе грибов может переключаться между электрическими состояниями до 5 850 раз в секунду с точностью около 90%. Хотя производительность снижалась на более высоких электрических частотах, команда заметила, что соединение нескольких грибов помогало восстановить стабильность – подобно нейронным связям в человеческом мозге.
Кудсия Тахмина, соавтор исследования и доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии Университета штата Огайо, подчеркнула, что результаты демонстрируют, насколько легко грибы можно адаптировать для вычислений. «Общество все больше осознает необходимость защиты окружающей среды и обеспечения ее сохранения для будущих поколений, – отметила Тахмина. – Это может быть одним из движущих факторов новых биодружественных идей».
Гибкость, предлагаемая грибами, также предполагает возможности для масштабирования, по словам Тахмины. Например, более крупные грибные системы могут быть полезны в периферийных вычислениях и исследованиях космоса, а меньшие – в улучшении производительности автономных систем и носимых устройств.
Хотя органические мемристоры все еще находятся на ранних стадиях разработки, в будущих работах ученые планируют совершенствовать методы выращивания и уменьшать размеры устройств. Создание более мелких и эффективных грибных компонентов станет ключом к тому, чтобы они стали жизнеспособной альтернативой традиционным микрочипам.
«Все, что потребуется для начала изучения грибов и вычислений, может быть таким же маленьким, как компостная куча и самодельная электроника, или таким же большим, как фабрика по выращиванию с готовыми шаблонами, – сказал Ларокко. – Все это осуществимо с теми ресурсами, которые у нас есть прямо сейчас».
В число других участников исследования из Университета штата Огайо входят Рубен Петреака, Джон Симонис и Джастин Хилл. Исследование было поддержано Исследовательским институтом Honda.