Грибная электроника на подходе: космические корабли и автономные автомобили могут на работать на основе органических мемристоров. Ученые доказали, что из распространенных культивируемых грибов, таких как шиитаке и шампиньоны, можно производить органические мемристоры — разновидности процессора данных, способного запоминать прошлые электрические состояния. Биоэлектроника — развивающаяся область, которая, в частности, способствует разработке новых, многообещающих материалов для вычислений нового поколения.
Грибы обладают врожденными способностями адаптироваться к различным условиям окружающей среды и эффективно обрабатывать информацию посредством своей взаимосвязанной сети гиф. Эти характеристики делают грибы идеальным кандидатом для разработки устойчивых вычислительных систем.
Целью ученых из Университета штата Огайо было разработать и реализовать новую вычислительную архитектуру на основе грибных мемристоров, которая могла бы значительно снизить потребление энергии и минимизировать электронные отходы. Они подошли к этому, используя существенно более простые биореакторы и питательные среды, чем те, которые требуются для обычных нейронов и нейронных органоидов. Уникальные преимущества грибных мемристоров вытекают из биологических свойств грибов, которые отличают их от типичных неорганических или полимерных альтернатив
Мемристорные устройства обеспечивают существенные преимущества в робототехнике, промышленности и транспорте благодаря своим уникальным электрическим свойствам и способности имитировать нейронные функции. Они могут улучшить различные системы управления, обеспечить эффективную обработку информации и, в конечном итоге, повысить общую производительность автономных систем.
Одной из ключевых сильных сторон мемристоров является их способность к эффективному и самоадаптирующемуся обучению in situ, что критически важно для приложений в робототехнике и автономных транспортных средствах. В нейронных сетях на основе мемристоров устройства могут регулировать свое сопротивление на основе предыдущих входных данных, что позволяет реализовать форму аналогового обучения, которая очень похожа на синаптическое поведение в биологических системах. Эта способность позволяет роботам и автономным транспортным средствам обучаться у окружающей среды и адаптироваться в режиме реального времени, повышая их способность эффективно ориентироваться в сложных ситуациях. Было обнаружено, что такие системы могут достигать откликов с малой задержкой, что необходимо для высокоскоростного принятия решений в динамических средах.
Мемристоры также обладают преимуществом интеграции памяти и вычислительных возможностей в одном устройстве, что позволяет упростить архитектуру автономных систем управления. Например, в автономных транспортных средствах задачи отслеживания траектории и следования по заданному пути могут выполняться с помощью контроллеров на основе мемристоров, которые обеспечивают быстрые вычисления и корректировку управляющих переменных в реальном времени. Такая интеграция, особенно в сочетании с распараллеливанием, помогает решить проблемы, связанные с раздельными блоками памяти и обработки, которые могут приводить к задержкам и повышенному энергопотреблению в традиционных системах управления.
Более того, низкое энергопотребление мемристоров особенно полезно в робототехнике и автономных транспортных средствах, где энергоэффективность имеет первостепенное значение. Гибридные аналого-цифровые мемристорные системы могут минимизировать энергопотребление во время обработки данных без ущерба для скорости отклика, что может увеличить время работы за счёт снижения частоты подзарядки или замены аккумулятора, что повышает возможность использования таких систем в мобильных приложениях.
В конечном счёте, потенциал мемристоров для имитации процессов принятия решений и обучения, подобных человеческим, может быть использован для наделения роботизированных систем и автономных транспортных средств функциональными возможностями, недоступными традиционным системам управления. Способность мемристоров эффективно выполнять сложные вычисления, адаптивно обучаться и интегрировать память и обработку в единый подход делает их краеугольным камнем будущей разработки интеллектуальных автономных систем.
На сегодня производство мемристоров часто требует добычи редкоземельных минералов и работы дорогостоящих полупроводниковых заводов. Однако, ученые предложили аналог – грибы.
«Результаты наших исследований показали, что эти устройства на основе шиитаке не только демонстрируют схожие воспроизводимые эффекты памяти с полупроводниковыми чипами, но и могут быть использованы для создания других типов недорогих, экологически чистых вычислительных компонентов, работающих по принципу работы мозга. Возможность разработки микрочипов, имитирующих реальную нейронную активность, означает, что вам не потребуется много энергии в режиме ожидания или когда устройство не используется. Это может дать огромное потенциальное вычислительное и экономическое преимущество», — сказал Джон ЛаРокко, ведущий автор исследования и научный сотрудник в области психиатрии в Медицинском колледже штата Огайо.
Потенциальное использование распространенных пищевых грибов, таких как шиитаке (Lentinula edodes) и шампиньоны (Agaricus bisporus), в качестве органических мемристоров является новой областью исследований, которая использует уникальные свойства этих грибов. Мемристоры, представляющие собой энергонезависимые устройства памяти, сохраняющие информацию даже без питания, могут извлечь выгоду из пористых структур и электрических свойств органических материалов, полученных из грибов.
Было показано, что грибы шиитаке обладают иерархически пористой углеродной структурой при активации. Эта пористая структура может улучшить электрохимические характеристики устройств, делая их подходящими кандидатами для использования в системах хранения энергии, включая суперконденсаторы и, потенциально, мемристоры. Из шиитаке были созданы высокопроводящие углеродные материалы, что позволяет предположить возможность разработки таких материалов с мемристивными свойствами. Углерод, полученный из шиитаке, является экологичной альтернативой традиционным материалам и может повысить производительность электронных устройств благодаря своим уникальным структурным свойствам.
Шампиньоны также продемонстрировали значительный потенциал в этом контексте. Исследования показали, что их пористость может быть использована для создания материалов с большой площадью поверхности, необходимых для разработки эффективных электронных компонентов. Был изучен синтез углеродных композитов из шампиньонов, что выявило их способность эффективно функционировать в системах накопления энергии. Кроме того, была исследована интеграция шампиньонов в электронные системы, что продемонстрировало их потенциал в качестве субстратов для электронных устройств.
Помимо структурных свойств, уникальные биологические характеристики грибов, включая их способность взаимодействовать с различными химическими соединениями, могут быть использованы для разработки новых сенсорных технологий. Например, были разработаны электронные носы, использующие экстракты грибов для обнаружения летучих соединений. Их можно адаптировать для использования в электронных устройствах, требующих возможности измерения окружающей среды. Такое пересечение биологии и электроники открывает новые возможности для создания многофункциональных устройств, использующих сенсорные возможности грибов.
В этом исследовании изучался потенциал съедобного гриба шиитаке в качестве платформы для изготовления мемристоров. Исследуя электрический отклик материалов, полученных из грибов, при повторном циклировании напряжения, ученые исследовали стабильное мемристивное переключение, удержание и долговечность. Устройства на основе шиитаке не только демонстрируют воспроизводимые эффекты памяти, но и подчеркивают потенциал масштабируемых, недорогих и экологически чистых нейроморфных компонентов.
Чтобы изучить возможности новых мемристоров, исследователи культивировали образцы шиитаке и шампиньонов. После созревания их обезвоживали для обеспечения долгосрочной жизнеспособности, подключали к специальным электронным схемам, а затем подвергали воздействию электрического тока разного напряжения и частоты.
«Мы подключали электрические провода и датчики к разным точкам гриба, поскольку разные его части обладают разными электрическими свойствами. В зависимости от напряжения и способа подключения мы наблюдали разные характеристики», — сказал ЛаРокко. «».
Через два месяца команда обнаружила, что при использовании в качестве оперативной памяти – компьютерной памяти, хранящей данные – их грибовидный мемристор способен переключаться между электрическими состояниями со скоростью до 5850 сигналов в секунду с точностью около 90%. Однако производительность падала с ростом частоты электрических напряжений, но, как и в случае с настоящим мозгом, проблему можно было решить, подключив к схеме больше грибовидных мемристоров.
В целом, исследование демонстрирует, насколько удивительно легко программировать и сохранять грибы, чтобы они вели себя неожиданным и полезным образом, говорит Кудсия Тахмина, соавтор исследования и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете штата Огайо. Более того, это пример того, как технологии могут развиваться, опираясь на природу.
Органические мемристоры все еще находятся на ранней стадии разработки, но будущие исследования могут помочь оптимизировать процесс производства за счет совершенствования методов выращивания и миниатюризации устройств, поскольку жизнеспособные грибные мемристоры должны быть намного меньше тех, которых удалось достичь исследователям в ходе этой работы.
«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. Все эти идеи жизнеспособны с теми ресурсами, которые у нас есть сейчас», — заключает ЛаРокко.
Источник: The Ohio State University. Автор: Татьяна Вудалл.