科學家用蘑菇造出新內存，每秒5850次開關且無需充電

近日，美國俄亥俄州立大學團隊用香菇造出一種蘑菇芯片。當這種由蘑菇驅動的活體計算機作為內存使用時，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)芯片相似的記憶效應，能以每秒 5,850 個信號的速度切換電狀態(tài)，準確率在 90% 左右，或能在低能耗和高速計算上帶來巨大優(yōu)勢。

（來源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）

香菇的菌絲體也就是埋在地下的根，可以被培養(yǎng)成一種名為有機憶阻器的全新電子元件。這種蘑菇芯片擁有極速的記憶力，具備超級環(huán)保的特性，同時能像大腦一樣工作。

它是生物可降解的，不像傳統(tǒng)芯片那樣會產(chǎn)生大量的電子垃圾，而且制造起來成本更低，不需要昂貴的稀有礦物。

它能夠模仿真正的神經(jīng)活動，這意味著它在不工作的時候，幾乎不需要電力來待機，這大大節(jié)省了能源，是傳統(tǒng)電子設備無法比擬的巨大優(yōu)勢。

這意味著，未來我們的電腦內存條可能不再是使用冰冷的稀有金屬制造的，而是使用香菇這種食材長出來的。通過這項研究，研究團隊揭示了利用菌絲網(wǎng)絡作為下一代計算材料的可能性，未來可用于創(chuàng)建低成本、環(huán)保、仿腦的計算組件。

這也為生物電子學和類腦計算打開了大門，預示著我們的電腦、可穿戴設備乃至太空探索儀器，都可能在未來用上這種低能耗、超環(huán)保的活體組件。

憶阻器：會思考的電燈開關

在深入了解蘑菇如何變成芯片之前，得先認識一下憶阻器。

傳統(tǒng)的電腦芯片比如我們電腦里的內存條和處理器都是由晶體管組成的。晶體管好比是一個電燈開關，它只有兩種狀態(tài)：開和關，即（1，有電流）和（0，沒電流）。所有信息都是通過 0 和 1 這兩個狀態(tài)來存儲和計算的。就像我們回答對錯題一樣，盡管簡單但卻不夠靈活。

憶阻器則完全不同，對于它我們不能使用普通的電燈開關來作比喻，而是得使用調光器來比喻。對于一個普通開關來說，當我們關掉它再重新打開，它并不知道自己上次是亮還是暗。但是，一個憶阻器則擁有記憶電阻的能力。當你給它施加電流的時候，它的電阻會發(fā)生改變，而且即使電流中斷了，它也能記住上次電流中斷時它的電阻值是多少。

對于調光器來說，假設電阻值是 X，當你把它調到半亮，然后關掉。當你下次再次打開它的時候，它會立刻回到半亮的狀態(tài)，因為它記住了電阻值 X。憶阻器正是這樣工作的：它的電阻值可以有無數(shù)種半亮狀態(tài)，而這些不同的電阻狀態(tài)就是它存儲信息的方式。這讓它能夠比傳統(tǒng)芯片存儲更多的東西，并且可以像人腦一樣連續(xù)地存儲信息。

（來源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）

菌絲網(wǎng)絡：蘑菇的地下互聯(lián)網(wǎng)

那么，科學家是怎么把憶阻能力植入到蘑菇體內的？答案就在蘑菇的地下互聯(lián)網(wǎng)：菌絲體。

我們通常吃的蘑菇只是整個真菌生命的果實。在地下或者腐木之中，真菌真正的主體是菌絲體。菌絲體是無數(shù)細小的白色絲狀物交織而成的巨大網(wǎng)絡，就像一張張巨大的、布滿纖維的網(wǎng)一樣。

菌絲體不僅極其堅韌，而且具有極強的環(huán)境適應性，它能夠感知和響應周圍環(huán)境的變化。人們早就知道，這個網(wǎng)絡可以用來制作各種環(huán)保材料。但是，本次研究團隊更進一步：他們發(fā)現(xiàn)菌絲體網(wǎng)絡具備天然的電學特性，讓其成為了制造生物電子元件的理想材料。

研究中，他們選取了常見的香菇和蘑菇的菌絲體樣本，通過以下四步完成了相關實驗：

• 第一步是培養(yǎng)網(wǎng)絡，他們在實驗室環(huán)境中培養(yǎng)出了健康的菌絲網(wǎng)絡；
• 第二步是脫水處理，一旦網(wǎng)絡成熟，他們就對樣本進行脫水處理，確保這些芯片能夠長期保存和使用；
• 第三步是連接電路，他們將傳統(tǒng)的電子元件和探針連接到菌絲體的不同點位上；
• 第四步是施加電流訓練，他們通過改變電壓和頻率來對這些蘑菇芯片進行電擊訓練，這一過程就像訓練寵物一樣，他們通過施加不同的電刺激來觀察蘑菇網(wǎng)絡是如何反應的，以及該如何改變它的電阻狀態(tài)。

結果顯示，菌絲體在受到刺激之后，其電導率也就是電流通過的難易程度會發(fā)生變化，并且能夠記住這種變化，這意味著蘑菇已經(jīng)展現(xiàn)出了憶阻器的核心功能。

（來源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）

能夠模擬人腦，展現(xiàn)出驚人性能和自我修復能力

實驗結果顯示，這些看似簡單的蘑菇芯片，在作為電腦內存進行測試時，表現(xiàn)出了驚人的性能和類腦特征。

隨機存取存儲器，是電腦中負責臨時存儲數(shù)據(jù)，以供 CPU 快速存取的工作內存。隨機存取存儲器的速度直接決定了電腦的運行速度。

而蘑菇憶阻器在測試中展現(xiàn)出了極高的開關速度：它可以在一秒內完成 5,850 次的電狀態(tài)切換。對于一個由生物材料制成的元件來說，這是一個非常高的頻率，證明了它完全有潛力用于實際電子設備之中。

此外，研究人員在測試中發(fā)現(xiàn)了這樣一個問題：當不斷提高所施加的電流頻率時，蘑菇芯片的性能和準確率開始下降。

但是，他們想到這樣一個生物解決方案：既然它是一個網(wǎng)絡，為什么不擴大網(wǎng)絡呢？

就像人類大腦一樣，如果一個神經(jīng)元或神經(jīng)通路受損或負擔過程，其他神經(jīng)元可以通過建立新的連接來分擔工作，甚至形成新的記憶。為此，研究人員嘗試通過將更多蘑菇菌絲體連接到電路中來修復性能下降的問題。

結果是，通過擴大菌絲體網(wǎng)絡，蘑菇芯片的性能和穩(wěn)定性果然得到了恢復。這種通過增加網(wǎng)絡結構來提高計算能力的行為，與人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡的運行方式非常相似。這不僅解決了技術問題，更進一步證明了菌絲體是開發(fā)神經(jīng)形態(tài)計算的完美材料。

（來源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）

從食材進化到芯片，助力告別電子垃圾困擾

當前，全球每年都會產(chǎn)生幾億噸的電子垃圾。傳統(tǒng)半導體芯片依賴于許多昂貴的稀有礦物，制造過程中會消耗巨大的能源，一旦報廢就很難降解或回收。

而蘑菇芯片則提供了一個潛在解決方案。蘑菇和菌絲體都是一種易于獲取、生長迅速的生物材料，制造它們的成本比傳統(tǒng)芯片低得多。

當蘑菇芯片被淘汰的時候，可以把它扔進堆肥箱，這時它就會像任何生物殘渣一樣自然地分解。

此外，我們目前使用的電子設備當處于待機狀態(tài)的時候，都會持續(xù)低消耗電力，為的是能在需要時快速啟動，但這也造成了驚人的能源浪費。

而蘑菇憶阻器的不同之處在于，由于它們模擬了神經(jīng)活動，因此它們能夠記住自己的電狀態(tài)，而不需要持續(xù)的電力來維持這種記憶。只有在進行計算或狀態(tài)切換時才需要能源，待機功耗非常低。而這種特性對于未來的電池供電設備可謂是至關重要。

總的來說，蘑菇芯片揭開了真菌智能的未來圖景。在地球生態(tài)中，菌絲體網(wǎng)絡已經(jīng)存在數(shù)億年之久，如今研究人員發(fā)現(xiàn)它們能夠感知環(huán)境、傳遞信號和協(xié)調生長，甚至展示出類似于記憶的行為。當天然智能與電子工程的相遇，可能會帶來既高效、又具有環(huán)境意識的計算系統(tǒng)。

參考資料：

相關論文 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0328965

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