Kdybychom vám řekli, že tahle houba umí „paměť“, zní to jako metafora
Shiitake známe jako něco, co skončí v polévce nebo na pánvi. V laboratoři Ohio State University ale dostala úplně jinou práci. Výzkumníci nechali houbu Lentinula edodes růst v živném prostředí, dokud její mycelium nevytvořilo hustou síť vláken. Vzorky následně vysušili, částečně rehydratovali a připojili k elektrickému obvodu.
Pak přes ně začali pouštět napětí. Výsledek nebyl obyčejný vodič. Elektrický odpor mycelia se měnil podle toho, jakými impulzy předtím prošlo. Jinými slovy, současné chování vzorku záviselo na jeho elektrické historii. Právě to je základ vlastnosti, kterou hledáme u memristoru.
Memristor je součástka, která si pamatuje minulost
U běžného rezistoru je princip relativně jednoduchý: jeho odpor má určitou hodnotu a proud se podle ní řídí. Memristor je podivnější. Jeho odpor se může měnit v závislosti na tom, jaký proud jím procházel předtím. Po sérii elektrických impulzů tak může být v jiném stavu než na začátku a tento stav může ovlivnit další odpověď. Proto se jeho název skládá ze slov memory a resistor.
Tahle vlastnost je mimořádně zajímavá pro takzvané neuromorfní počítání – elektroniku, která se nesnaží pracovat úplně stejně jako klasický procesor, ale napodobuje některé principy nervového systému.
Synapse mezi neurony se také mění podle své historie. Spojení, které bylo opakovaně aktivní, se může chovat jinak než spojení, kterým dlouho nic neprošlo. Memristor je samozřejmě mnohem jednodušší než biologická synapse. Ale princip „to, co se stalo předtím, ovlivňuje to, co se stane teď“ mají společný.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Houba nebyla procesor. Byla jednou součástkou
Tady je dobré zabrzdit jednu lákavou představu. Výzkumníci nevypěstovali fungující počítač z několika shiitake, nespustili na něm operační systém a houba nezačala počítat tabulku v Excelu. Experiment ukázal, že mycelium může fungovat jako memristivní prvek v elektronickém obvodu. To je mnohem skromnější tvrzení, ale z technologického hlediska pořád dost zajímavé.
Jednotlivé vzorky byly připojeny pomocí elektrod a tým měřil jejich elektrickou odezvu při různých napětích, frekvencích a způsobech zapojení. Ukázalo se, že různé části mycelia mají odlišné elektrické vlastnosti a že jejich chování lze měnit elektrickou stimulací.
Při nižších frekvencích zvládaly experimentální houbové prvky přepínat až přibližně 5 850krát za sekundu s přesností kolem 90 procent. Při pomalejším provozu se přesnost zvyšovala až zhruba k 95 procentům. Na moderní čip je to samozřejmě směšně málo. Na usušenou houbu je to naopak docela slušné.
Proč zrovna shiitake?
Výběr houby nebyl čistě gastronomický. Mycelium vytváří rozsáhlou vláknitou síť, která reaguje na změny prostředí a vede drobné elektrické signály. Právě tyto vlastnosti přitahují biology i inženýry už delší dobu. Výzkumníci použili shiitake mimo jiné kvůli její odolnosti a schopnosti přežít poměrně nepříznivé podmínky.
Vzorky pěstovali na směsi obsahující například špaldu, pšeničné klíčky a seno. Jakmile se vytvořilo dostatečně husté mycelium, materiál vysušili. A tady přišla další překvapivá vlastnost. Elektrické chování se po vysušení neztratilo úplně.
Mycelium lze vysušit a později znovu „probudit“
Vysušení má pro biologickou elektroniku jednu zásadní výhodu. Živá tkáň bývá technologicky nepohodlná. Potřebuje vhodnou vlhkost, teplotu, živiny a stabilní podmínky. To není ideální materiál pro zařízení, které má ležet několik měsíců ve skladu.
Tým zjistil, že některé naprogramované elektrické vlastnosti vzorku lze po dehydrataci zachovat. Když mycelium následně znovu navlhčili natolik, aby obnovilo elektrickou vodivost, memristivní chování se vrátilo. To už začíná být technologicky zajímavější.
Nejde totiž jen o „živý kus houby připojený drátkem“. Materiál lze do určité míry stabilizovat, skladovat a později znovu použít. Pořád ale mluvíme o raném laboratorním prototypu.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Proč bychom vůbec chtěli elektroniku z houby?
Křemík je fantastický materiál. Moderní polovodičový průmysl na něm vybudoval prakticky celý digitální svět. Jenže výroba čipů je zároveň extrémně náročná.
Potřebuje velmi čisté materiály, vysoké teploty, složité výrobní procesy, obrovské továrny a značné množství energie a vody. Elektronický odpad pak obsahuje materiály, které se v přírodě nerozloží stejně ochotně jako houba.
Mycelium má opačné vlastnosti. Roste při relativně nízkých teplotách, jeho výroba nevyžaduje polovodičovou továrnu a po skončení životnosti je biologicky rozložitelné. To neznamená, že za deset let nahradíme silikonové procesory houbovými.
Může ale existovat řada aplikací, kde nepotřebujeme miliardy dokonale stejných tranzistorů a nejvyšší možný výkon. Tam už začne biologická elektronika dávat větší smysl.
Budoucí senzor možná nebude vyrobený. Vyroste
Představme si jednoduché zařízení, které má sbírat informace v prostředí a po několika měsících už ho nepotřebujeme. Dnes bychom vyrobili plastové pouzdro, kovové kontakty a elektronickou desku, dopravili ji na místo a později řešili její likvidaci. Biologický materiál otevírá jinou možnost.
Část elektroniky by mohla být vypěstovaná z lokálních nebo snadno obnovitelných zdrojů a po skončení úkolu by nemusela vytvořit další téměř nezničitelný kus odpadu. Výzkumníci zmiňují možné využití v nositelné elektronice, okrajovém zpracování dat, senzorech nebo neuromorfních systémech. Jsme ale pořád na začátku.
Současné houbové prvky jsou proti komerční elektronice velké, nepravidelné a pomalé. Pokud má biologický memristor někdy konkurovat standardním prvkům, bude nutné zásadně zlepšit jeho miniaturizaci, reprodukovatelnost a životnost.
A houba má jednu vlastnost, kterou čip obvykle nemá
Biologický materiál dokáže reagovat na své prostředí. Mycelium mění své elektrické vlastnosti například v závislosti na vlhkosti, teplotě, chemických látkách nebo mechanickém zatížení. Pro klasickou elektroniku je podobná proměnlivost často problém. Součástka má ideálně dělat pokaždé totéž.
U senzorů ale může být přesně tato citlivost výhodou. Materiál nemusí být jen pasivní nosič obvodu. Může zároveň fungovat jako část samotného senzoru. V tomto směru se biologická elektronika začíná chovat jinak než zařízení, na která jsme zvyklí. Není to mrtvý materiál, kterému pouze vtiskneme funkci. Jeho vlastní biologické vlastnosti jsou součástí funkce.
Zajímavý je dokonce i vesmír. Ale tady už jsme hodně daleko
Autoři studie upozorňují také na relativní odolnost shiitake vůči oxidačnímu stresu a záření a spekulují, že podobné materiály by jednou mohly najít využití v kosmických aplikacích.
Tahle část už patří spíš do kolonky „co by jednou mohlo být možné“. Z laboratorního memristoru ještě nevyplývá, že houbový počítač poletí na Mars. Biologické systémy by musely přežít vakuum, extrémní změny teplot, radiaci, mechanické namáhání a dlouhodobý provoz.
Myšlenka je ale zajímavá právě díky jedné věci. Pokud chceme jednou vyrábět technologie daleko od Země, materiál, který dokáže růst z relativně jednoduchých živin, může mít úplně jinou hodnotu než zařízení, jehož každá součástka musí přiletět z továrny na Zemi.
Nejpodivnější počítačová revoluce možná nezačne v továrně
Moderní elektronika nás naučila představovat si výpočetní techniku jako svět dokonale čistých destiček, kovových kontaktů a nanometrových tranzistorů. Jenže historie počítačů nikdy netvrdila, že informace musí zpracovávat právě křemík.
Mechanické počítače používaly ozubená kola. První elektronické stroje elektronky. Potom přišly tranzistory, integrované obvody a dnešní polovodiče. Memristor založený na shiitake zatím proti nim působí skoro komicky. Roste pomalu, není dokonale stejný kus od kusu a jeho výkon se s moderním čipem nedá srovnávat.
Jenže současně umí něco, co bychom ještě nedávno od houby příliš neočekávali. Pustíte do ní elektrický signál. Změní se. A když po ní chcete odpověď znovu, záleží i na tom, co jste jí udělali předtím.
To ještě není houbový počítač. Ale je to dost na to, abychom se začali ptát, zda budoucnost elektroniky musí být vždy vyrobena. Některé její součástky možná jednou prostě vypěstujeme.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], PLOS ONE – Mycelial memristors for neuromorphic computing [2], DOI 10.1371/journal.pone.0328965 [3], The Ohio State University – Powered by mushrooms: Living computers are on the rise [4], Ohio State College of Engineering – Powered by mushrooms: Living computers are on the rise [5]. img ai generated
