Грибные компьютеры ближе, чем кажется: 90% точности от мицелия меняет правила игры

Представьте, что в будущем ваш компьютер может работать не на кремниевых чипах, а на… грибах. Звучит как научная фантастика, но это уже реальность лабораторных экспериментов. Учёные создали работающие мемристоры — важнейшие элементы компьютерных схем — из мицелия обычных грибов шиитаке. Эти биологические компоненты однажды могут стать недорогой и экологичной альтернативой современным устройствам памяти.

Исследование, опубликованное в журнале PLOS One, демонстрирует, что мицелий — похожая на корни часть гриба — может выполнять функции мемристора, то есть элемента, который "помнит" свои предыдущие электрические состояния. Вместо диоксида титана или кремния учёные использовали живую биологическую структуру, которая по своему строению удивительно напоминает нейронные сети.

Почему именно грибы?

Разработка компьютера, работающего по принципу мозга, требует создания компонентов, которые ведут себя подобно частям нервной системы. Мемристоры как раз и выполняют роль синапсов — соединений между нейронами, которые управляют потоком информации.

Учёные давно обратили внимание на сходство между мицелиальными и нейронными сетями. Обе имеют разветвлённую структуру и передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Однако чтобы заставить грибы выполнять вычислительные задачи, потребовались специальные инженерные решения.

Команда выбрала для экспериментов грибы шиитаке из-за их удивительной выносливости и устойчивости к стрессовым факторам, включая радиацию. Исследователи вырастили девять образцов в чашках Петри при контролируемой температуре и влажности, создав идеальные условия для развития мицелия.

"Возможность разработки микрочипов, имитирующих реальную нейронную активность, означает, что вам не потребуется много энергии в режиме ожидания или когда устройство не используется", — говорит Джон ЛаРокко из Университета штата Огайо.

Когда мицелий полностью покрыл чашки Петри, учёные высушили образцы в хорошо проветриваемом помещении под прямыми солнечными лучами. Эта процедура обеспечила долгосрочную жизнеспособность материала. Подготовленные таким образом образцы были готовы к тестированию.

Как проходил эксперимент

Каждый образец мицелия подключили к специально разработанной схеме, которая пропускала через гриб электрический ток. Исследователи изучали, как разные части мицелия проводят и сохраняют электрические сигналы.

"Мы подключали электрические провода и датчики к разным точкам гриба, поскольку разные его части обладают разными электрическими свойствами", — объясняет ЛаРокко.

В зависимости от напряжения и типа подключения мы наблюдали разные характеристики.

Результаты превзошли ожидания. Исследователям удалось добиться от "грибного мемристора" производительности в 5850 Гц с точностью 90%. Это означает, что он может переключать сигналы со скоростью около 5850 раз в секунду, или одно переключение каждые 170 микросекунд.

А что если…

Если грибные компьютеры действительно станут реальностью, это сможет решить проблему электронных отходов? Обычная компьютерная техника содержит токсичные материалы и сложна в утилизации, тогда как биологические компоненты могут быть полностью биоразлагаемыми.

Сравнительная таблица: кремниевые vs мицелиальные мемристоры

Три факта о мемристорах

1. Теорию мемристоров впервые предложил профессор Леон Чуа в 1971 году, но практическую реализацию удалось создать только в 2008 году.

2. Мемристоры способны "запоминать" своё последнее состояние даже после отключения питания, что делает их перспективными для энергонезависимой памяти.

3. В отличие от традиционных транзисторов, мемристоры могут одновременно хранить и обрабатывать информацию, как это делают нейроны в мозге.

Практические перспективы и ограничения

Хотя до появления грибных компьютеров в наших домах ещё далеко, исследование открывает захватывающие перспективы. Учёные обнаружили, что с ростом электрического напряжения эффективность гриба снижалась, но эту проблему удалось решить, добавляя в цепь больше грибов.

"Всё, что вам понадобится для начала изучения грибов и вычислений, может быть как небольшим, вроде компостной кучи и самодельной электроники, так и огромным, вроде фабрики по выращиванию микроорганизмов с готовыми шаблонами", — отмечает ЛаРокко.

Потенциальные области применения мицелиальных вычислений варьируются от персональных устройств до аэрокосмической отрасли, где устойчивость к радиации становится критически важным преимуществом.

Исторический контекст

Стремление создать компьютеры, работающие по принципу мозга, имеет давнюю историю. С 1940-х годов учёные пытались моделировать нейронные сети с помощью электронных компонентов. Однако лишь в XXI веке появились достаточно совершенные технологии для реализации этих идей. Исследование мицелиальных вычислений представляет собой логическое продолжение этой тенденции, но с принципиально новым подходом — вместо имитации биологических процессов учёные используют сами биологические структуры. Это направление, известное как биовдохновленные вычисления, может стать следующим шагом в эволюции компьютерных технологий, предлагая решения для растущих проблем энергопотребления и электронных отходов. Как отмечают исследователи в своей статье, "будущее вычислений может быть связано с грибками" — и это будущее выглядит одновременно удивительным и многообещающим.