8 Minutės
Tyrėjai paverčia gerai pažįstamą maistinį grybą veikiančiu skaitmeninio techninio elemento komponentu: šiitake (Lentinula edodes) micelis gali elgtis kaip memristorius — elektroninis prietaisas, kuris išsaugo ankstesnes elektrines būsenas. Šis ankstyvas koncepcijos įrodymas atveria kelią kurti nebrangią, biologiją skaidančią ir energiją taupančią atminties aparatūrą, pagamintą iš gyvų tinklų, o ne iš silicio. Tokia „gyvybinių medžiagų“ elektronika — bioelektronika — gali pakeisti požiūrį į elektronikos gamybą, integruojant organinius, atsinaujinančius resursus kartu su standartiniais elektronikos elementais.
Fungai kaip techninis komponentas: ką daro memristorius ir kodėl micelis svarbus
Memristoriai yra grandinių komponentai, kurių elektrinis varžos dydis kinta priklausomai nuo per juos tekėjusio srovės istorijos — ši savybė leidžia jiems veikti kaip analogai sinapsėms neuromorfiniame skaičiavime, kuriame siekiama imituoti smegenų informacijos apdorojimo būdus. Skirtingai nei tranzistoriai, memristoriai gali išlaikyti informacijos apie ankstesnius signalus be pastovaus elektros tiekimo, o tai sudaro prielaidas pasiekti mažesnes budėjimo energijos sąnaudas ir efektyviau vykdyti „smegeninius“ uždavinius, tokius kaip adaptacija ir sinaptinis svorio keitimas.
Micelio tinklai — plaušingi, šakoti grybo "šaknų" pavidalo dariniai — natūraliai perduoda ir elektrinius, ir cheminius signalus bei formuoja sudėtingas, adaptuojamas struktūras. Tokiomis savybėmis susidomėjo inžinieriai, medžiagų mokslininkai ir neurologai, kurie ieško medžiagų, galinčių atkartoti biologinių sinapsių funkcionalumą. Šiitake grybai ypač patrauklūs dėl kelių praktinių priežasčių: jie auga stabiliomis sąlygomis, atsparūs tam tikriems aplinkos streso veiksniams, įskaitant radiaciją, ir juos galima kultivuoti ekonomiškai dideliais kiekiais. Be to, ši rūšis yra plačiai prieinama komerciškai, o tai palengvina bandymų kartojimą ir mastelio didinimą laboratorijose ar pramoniniuose kontekstuose.
How the experiment worked
Studijų metu tyrėjai inokuliavo devynias Petri lėkšteles šiitake sporomis maistingajame substrate ir leido miceliui augti kontroliuojamoje temperatūroje bei drėgmėje. Augimo sąlygos buvo kruopščiai prižiūrimos, kad būtų sumažinti netikslumai ir užtikrintas kuo vienodesnis micelio dangos formavimasis. Kai micelio sluoksnis pilnai padengė lėkšteles, mėginiai buvo natūraliai išdžiovinti gerai vėdinamose vietose, kartais paliekant juos saulės šviesoje, siekiant stabilizuoti audinį elektriniams bandymams. Tokia džiovinimo procedūra sumažina vandens įtaką elektrinėms savybėms ir padidina eksperimentų pakartojamumą.
Paruoštus mėginius sujungė su specialiai pritaikytomis grandinėmis ir patikrino keliose vietose, nes skirtingos micelio regionų dalys parodė skirtingas elektrines savybes. Komanda variavo pritaikomą įtampą, kontaktų konfigūraciją ir jungtis, kad sudarytų išsamias medžiagos atsako žemėlapius. Nuolatinis srovės ir varžos kitimo stebėjimas laike leido pastebėti memristinį elgesį — tai būdingas reiškinys, kai komponentas „atsimena“ ankstesnes elektrines būsenas per savo varžos pokyčius. Tradiciškai memristoriai gaminami iš metalo oksidų arba nanometrinių silicio struktūrų; panašaus elgesio demonstravimas biologiniame audinyje praplečia bioelektronikos medžiagų klasę ir atveria naujas galimybes organinių atminties elementų kūrimui.
Micelio memristoriai prijungti prie grandinės. (LaRocco et al., PLOS One, 2025)
Performance, trade-offs, and early results
Tyrėjų komanda pranešė, kad bandymų aplinkoje perjungimo dažnis siekė apie 5 850 Hz, o tikslumas — maždaug 90 %; tai reiškia, kad grybinis memristorius galėjo keisti būseną beveik 5 850 kartų per sekundę. Nors šis greitis yra lėtesnis nei greičiausių komercinių silicio memristorių, jis panašus į lėtesnių realių įrenginių diapazoną ir yra reikšmingas pirmosios kartos biologiniam įrenginiui. Svarbu pabrėžti, kad toks rezultatų derinys — vidutinis dažnis su aukštu stabilumu tam tikrose sąlygose — suteikia galimybę nagrinėti praktiškas taikymo sritis, kur didžiausi reikalavimai nėra maksimalus greitis, o tvarumas, pakartojamumas ir energijos vartojimo efektyvumas.
Tyrėjai taip pat pastebėjo, kad didesnės pritaikytos įtampos sąlygomis prietaiso veikimas blogėja; vienas iš sprendimų buvo didinti micelio elementų skaičių grandinėje, taip paskirstant krūvį ir stabilizuojant elgseną. Biologinė kintamumo faktorius ir jautrumas aplinkos parametrams išlieka aiškiais iššūkiais: skirtingi mėginiai gali skirtis dėl natūralaus audinio heterogeniškumo, o ilgalaikė stabilumas reikalauja kruopštaus apdorojimo, džiovinimo, apsauginių dangų taikymo ir tinkamo pakavimo. Taip pat būtina atsižvelgti į sąsajas tarp organinės medžiagos ir metalo kontaktų: oksidacija, cheminės reakcijos ir mechaniniai jungčių pokyčiai gali daryti įtaką memristoriaus charakteristikoms laikui bėgant.
Techniniai kriterijai, kuriuos reikia optimizuoti, apima įdarbinimo ir kontaktų medžiagas, mikroskopinį micelio struktūros valdymą, aplinkos kontrolę bandymų metu ir parametrų normalizavimą, kad būtų galima tiksliau palyginti skirtingus mėginius. Be to, reikšminga pažanga bus pasiekta, kai bus sukurti standartiški testavimo protokolai, kuriuos galėtų priimti tiek akademinė bendruomenė, tiek pramonės partneriai, norintys įvertinti bioelektroninių medžiagų galimybes.
Why this matters: sustainability and accessibility
Grybiniai memristoriai gali suteikti pranašumų tose srityse, kur svarbūs žemi kaštai, biodegraduojamumas ar paprasta auginimo technologija. Įsivaizduokime jutiklius atokiose aplinkose, pagamintus iš kompostuojamų elektronikos komponentų, arba mokymosi rinkinius, leidžiančius studentams klasėje kurti paprastas bioelektronines grandines ir eksperimentuoti su neuromorfiniais principais. Tokios technologijos galėtų sumažinti elektronikos atliekų kiekį ir skatinti vietinių resursų panaudojimą – pavyzdžiui, mažų specializuotų įrenginių atveju atsinaujinanti micelio auginimo grandinė leidžia atkurti ar pakeisti komponentus be sudėtingos logistikos.
Tokios savybės yra ypač vertingos ribotų išteklių ar atokiose aplinkose, pavyzdžiui, kosminių misijų ar karo/pagalbos zonų sąlygomis, kur galimybė vietoje užauginti ir pataisyti skaičiavimo elementus gali sumažinti priklausomybę nuo tiekimo grandinių ir padidinti sistemos atsparumą. Be to, bioelektronika gali integruotis su žemės ūkio ir biologinio valymo sistemomis — pavyzdžiui, derinant mikrobinius jutiklius su micelio memristoriais sudėtingiems aplinkos stebėjimo sprendimams, kur svarbu ir jautrumas, ir ekologinis pėdsakas.
Vis dėlto šie įrenginiai mažai tikėtina netrukus pakeis tradicinius silicio lustus išmaniųjų telefonų ar spartaus skaičiavimo įrenginiuose. Vietoj to, grybinė bioelektronika labiau tikėtina ras savo nišą neuromorfinių tyrimų, aplinkos jutiklių, švietimo ir specializuotų, energiją taupančių prietaisų srityse, kur prioritetas — energijos efektyvumas, materialinis ciklas ir biologinis suderinamumas.
Future directions and research steps
Kiti žingsniai apima reproducinamumo gerinimą, įrenginių architektūrų mastelio didinimą ir micelio memristorių integravimą su įprastine elektronika. Reproducinamumas reiškia, kad eksperimentų rezultatai turi būti atkuriami skirtingose laboratorijose ir skirtingomis sąlygomis — tai reikalauja standartizuotų auginimo, džiovinimo, paviršiaus paruošimo ir kontaktų formavimo procedūrų. Be to, būtina tirti prietaisų ilgaamžiškumą: kaip micelis atlaiko ilgalaikį darbą, pakartotines perjungimo operacijas, drėgmės ir temperatūros svyravimus, biologinę degradaciją bei mikroorganizmų poveikį.
Tyrėjai taip pat planuoja ištirti hibridizavimo metodus, kuriais micelio audinys būtų derinamas su spausdintinėmis plokštėmis (PCB) ar lanksčiomis elektronikos platformomis. Tokios hibridinės konstrukcijos galėtų panaudoti micelio memristorių privalumus (biodegraduojamumą, autokrininį regeneravimąsi ar sinaptinį elgesį) kartu su silicio ar metalo pagrindu pagamintomis logikos grandinėmis, paversdamos juos praktiškais neuromorfiniais mazgais ar jutiklių tinklais. Ši sritis kertasi su medžiagų mokslo, sintezės biologijos ir elektronikos inžinerijos disciplinomis, todėl pažanga priklausys nuo tarpdisciplininių komandų, kurios gali apjungti žinias apie auginimo technologijas, membranų cheminių reakcijų valdymą, elektrochimiją ir grandinių projektavimą.
Be to, reikia spręsti reguliavimo, saugumo ir etinius klausimus — pvz., kaip saugiai tvarkyti gyvus audinius, kokios yra ilgalaikės pasekmės jų įtraukimo į vartojamuosius produktus atveju, ir kokie standartai turi būti sukuriami, kad būtų užtikrinta higiena bei vartotojų saugumas. Praktinės diegimo sąlygos taip pat reikalauja sprendimų dėl apsauginių dangų, hermetizacijos arba infuzijos su neutriniais polimerais, kurie galėtų sumaintinti biologines reakcijas ir prailginti prietaisų tarnavimo laiką.
Expert Insight
"Micelio pagrindu veikiantys memristoriai žavi ne tuo, kad jie iš karto pranoktų silicį, bet tuo, jog jie praplečia medžiagų paletę, su kuria inžinieriai gali kurti," sako Dr. Elena Cruz, hipotetinė bioelektronikos inžinierė. "Jeigu sugebėsime sumažinti variabilumą ir užtikrinti tinkamą šių medžiagų paketavimą, jie gali tapti žemos galios neuromorfiniais mazgais ir tikrai cirkuliniais elektronikos komponentais."
Publikavimas žurnale PLOS One ir komandų pastangos tirti grybų ir skaičiavimo sąsajas paverčia autorių frazę — "Skaičiavimo ateitis gali būti grybų" — mažiau perdėtai retorikai ir labiau kvietimu: bandyti, adaptuoti ir įsivaizduoti skaičiavimo technologijas, kurios yra užaugintos, o ne pagamintos tradiciniu būdu. Tai apima ir mokslo plėtrą, ir viešąsias diskusijas apie tvarumą, naujas medžiagas ir bioinžinerinius sprendimus, kurie gali būti pritaikomi nepriklausomai nuo tradicinės elektronikos gamybos infrastruktūros.
Apibendrinant, micelio memristorių tyrimai yra pradinis žingsnis platesnio bioelektronikos judėjimo link — judėjimo, kuris siekia integruoti gyvas, augančias sistemas į technologinius sprendimus. Tolesni eksperimentai, mastelio didinimas ir tarpdisciplininė parama gali paversti šias idėjas praktiškais sprendimais srityse, kuriose svarbūs maža kaina, energijos efektyvumas bei ekologinė tvarumas. Nors technologija dar jauna ir susiduria su daugybe iššūkių, jos potencialas — ypač neuromorfiniame skaičiavime, biologiniuose jutikliuose ir eksperimentinėje elektronikoje — yra akivaizdus ir vertas tolimesnių investicijų bei tyrimų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą