Според ново проучване изследователите са установили, че гъбните мрежи могат да представляват възможна алтернатива на някои от миниатюрните устройства на метална основа, използвани за обработка и съхранение на цифрова информация.

Изследването, ръководено от учени от Щатския университет на Охайо, проучи дали обикновени ядливи гъби могат да бъдат използвани за създаване на органични мемристиори. Мемристиорът е електронен компонент, който може да запаметява предишни електрически състояния дори след изключване на захранването, което го прави полезен за съхранение и обработка на информация. Тези устройства се считат за важен градивен елемент за бъдещите изчислителни системи, които са проектирани да работят по-скоро като човешкия мозък.

Работата е част от разрастващата се област, известна като биоелектроника, която съчетава биологични материали с електронни системи. Изследователите се съсредоточиха върху гъбите шиитаке и шампиньони, за да проучат дали техните естествени електрически свойства могат да бъдат адаптирани за изчислителни цели. Резултатите им показаха, че мемристиорите на гъбна основа демонстрират възпроизводимо поведение на паметта, подобно на това на устройствата на полупроводникова основа.

Учените смятат, че такива системи биха могли да подпомогнат невроморфното изчисление – подход, вдъхновен от начина, по който мозъкът обработва информацията. За разлика от конвенционалните компютри, които разделят паметта и обработката на различни компоненти, невроморфните системи сближават двете функции. Това позволява много изчисления да се извършват едновременно – процес, известен като паралелна обработка – като същевременно се намалява количеството енергия, необходимо за изпълнението на определени задачи.

Водещият автор Джон ЛаРоко, научен изследовател по психиатрия в Медицинския факултет на Щатския университет на Охайо, заяви, че този подход би могъл да подобри ефективността на бъдещите изчислителни системи. „Възможността да се разработват микрочипове, които имитират действителната невронна активност, означава, че не е необходима голяма мощност в режим на готовност или когато машината не се използва“, казва ЛаРоко. „Това е нещо, което може да се превърне в огромно потенциално изчислително и икономическо предимство.“

Настоящите невроморфни технологии разчитат предимно на полупроводници – материали като силиций, чиято електрическа проводимост може да се контролира с висока точност за обработка на цифрова информация. Производството на тези чипове често изисква използването на редкоземни елементи – група метални елементи, широко използвани в съвременната електроника поради уникалните им електрически и магнитни свойства. Въпреки че тези елементи са относително разпространени в земната кора, тяхното извличане и преработка могат да бъдат скъпи и енергоемки.

Друга област на изследванията използва невронни органоиди – малки триизмерни клъстери от мозъчни клетки, отгледани от стволови клетки, които могат да възпроизвеждат някои характеристики на човешкия мозък. Тези живи тъкани обаче трябва да се поддържат в внимателно контролирани биореактори, които регулират температурата, хранителните вещества, кислорода и други условия, необходими за оцеляването им.

Според изследователите гъбните материали биха могли да предложат по-проста и по-устойчива алтернатива. Гъбите са биоразградими, могат да се отглеждат, вместо да се произвеждат чрез енергоемки промишлени процеси, и могат да намалят нуждата от някои от суровините, използвани в конвенционалните електронни устройства. ЛаРоко отбелязва, че гъбите са били изследвани и преди за електронни приложения, но посочи, че новото проучване разглежда до каква степен могат да бъдат разработени мемристивни системи на базата на гъби.

„Мицелиумът като изчислителен субстрат е бил проучван и преди в по-малко интуитивни конфигурации, но нашата работа се опитва да доведе една от тези мемристивни системи до нейните граници“, каза той.

Изследването се фокусира върху мицелия на гъбата – мрежата от фини, нишковидни гъбни нишки, която расте под видимата част на гъбата. Мицелият по естествен път пренася малки електрически сигнали из цялата гъбна мрежа. Тези сигнали наподобяват невронните импулси – кратките електрически импулси, които невроните използват за комуникация в мозъка и нервната система.

За да проучат дали тези естествени електрически сигнали могат да бъдат използвани за изчисления, изследователите отгледаха проби от гъби шиитаке и шампиньони. След като гъбите узряха, те бяха дехидратирани, като се отстрани водното им съдържание, за да се съхрани гъбният материал, като същевременно се запазят неговите електрически свойства за по-дълги периоди. След това екипът свърза гъбите с електронни вериги чрез електроди – проводими компоненти, които позволяват на електрическите сигнали да влизат, излизат или да бъдат измервани в даден материал. Бяха приложени различни електрически напрежения и честоти, за да се проучи как реагират гъбите.

През двумесечния период на тестване изследователите оцениха мемристиорите на гъбна основа като памет с произволен достъп (RAM) – тип компютърна памет, която временно съхранява данни по време на работата на софтуера. Проучването установи, че устройствата могат да превключват между електрически състояния с честота до 5,85 kHz, което означава, че променят състоянията си около 5 850 пъти в секунда. По време на тези тестове те постигнаха точност от 90 ± 1%, което показва, че устройствата са работели правилно около 90% от времето, като разликите между повтарящите се експерименти са били минимални. Производителността спадна с увеличаването на електрическата честота. Изследователите обаче са установили, че добавянето на повече гъби към веригата подобрява резултатите – поведение, което те сравняват с начина, по който групи от неврони работят заедно в мозъка.

Изследователите заявиха, че гъвкавостта на гъбните материали би могла да позволи бъдещите системи да бъдат адаптирани за различни приложения. По-големите гъбни мрежи биха могли потенциално да поддържат „изчисления на периферията“ (edge computing), при които данните се обработват по-близо до мястото, където се събират, вместо да се разчита изцяло на отдалечени центрове за данни. Това може да намали закъсненията и да понижи мрежовия трафик. По-малките гъбни системи биха могли в крайна сметка да намерят приложение в автономни системи и носими устройства.

Проучването посочва и друга характеристика на шиитаке, която би могла да го направи полезен извън рамките на конвенционалните изчислителни технологии. Предишни изследвания са показали, че шиитаке проявява устойчивост към радиация, което означава, че може да продължи да функционира след излагане на нива на йонизираща радиация, които могат да повредят много електронни системи. Тъй като космическите апарати работят в среди, където радиацията представлява постоянно предизвикателство, изследователите предполагат, че гъбните изчислителни материали в крайна сметка биха могли да намерят приложение в аерокосмическата индустрия. Въпреки това, настоящото проучване не е тествало директно изчислителни устройства на гъбна основа в космически условия.

Снимка: Unsplash/John LaRocco

Виж още: Вече може да играете класиката Half-Life 2 директно в браузъра – при това оптимизирано и с екстри