想象一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的芯片不是硅做的，而是柔軟、多孔、能降解。甚至，它會(huì)「生長(zhǎng)」。

這是一項(xiàng)頗具科幻色彩的研究：俄亥俄州立大學(xué)（ Ohio State University）等的團(tuán)隊(duì)利用香菇的菌絲網(wǎng)絡(luò)，制造出能記憶電信號(hào)的生物憶阻器 (bio-memristor)。在 ±5 伏電壓刺激下，它能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的「開(kāi)關(guān)」切換；即使在 5850 Hz 的高頻條件下，仍保持 90% 以上的記憶準(zhǔn)確率。

換句話說(shuō)，研究者讓蘑菇的生命結(jié)構(gòu)承擔(dān)了電子元件的職能。

這項(xiàng)研究以「Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics」為題，發(fā)布在《PLOS One》。

論文鏈接：

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

菌絲電路網(wǎng)絡(luò)

菌絲體（mycelium）是蘑菇的「地下世界」：一根根細(xì)絲在腐木與泥土間交織成密集的導(dǎo)管系統(tǒng)，負(fù)責(zé)傳遞水分與養(yǎng)分。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種天然網(wǎng)絡(luò)在干燥后仍保留導(dǎo)電多糖與幾丁質(zhì)（chitin）結(jié)構(gòu)，能夠形成天然的「電荷通道」。

在微觀層面，菌絲細(xì)胞壁中含有氮-乙酰葡糖胺和多肽鏈，會(huì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生離子遷移與氧化還原反應(yīng)。 當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)電路徑逐步形成，阻值降低；當(dāng)電流停止，部分路徑斷裂，阻值上升。這種「可逆的電阻變化」正是憶阻效應(yīng)的核心。

圖 1：帶有探針點(diǎn)的真菌樣本。

研究人員將香菇菌絲培養(yǎng)成連續(xù)薄膜，烘干后在其兩側(cè)鍍上銀電極。結(jié)果顯示，該有機(jī)薄膜厚度約 150 微米，能在常溫空氣中穩(wěn)定工作，阻值變化覆蓋 10? 數(shù)量級(jí)。即使經(jīng)過(guò) 10? 次電壓循環(huán)，信號(hào)仍無(wú)明顯衰減——與多種無(wú)機(jī)憶阻材料相當(dāng)。

讓材料記住電流

憶阻器 (memristor) 是一種能「記住」電流歷史的元件。其電阻隨電流強(qiáng)度和方向而變化，并在斷電后保持這種狀態(tài)。這種行為與神經(jīng)突觸的「強(qiáng)化-衰退」特性極為相似，因此被視為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的理想硬件。

而在此次實(shí)驗(yàn)中，香菇菌絲器件不僅能做簡(jiǎn)單的 ON-OFF 切換，還呈現(xiàn)出類突觸學(xué)習(xí)現(xiàn)象：當(dāng)連續(xù)電脈沖輸入時(shí)，導(dǎo)電路徑逐步固定，下一次響應(yīng)更快，表現(xiàn)出「短時(shí)記憶 → 長(zhǎng)期記憶」的轉(zhuǎn)換。在電壓 ±5 V、頻率 5850 Hz 下，設(shè)備切換準(zhǔn)確率超過(guò) 90%。

圖 2：有線樣品。

這種樣品的培育過(guò)程也更簡(jiǎn)單——畢竟與需要精挑細(xì)選的商用香菇不一樣，它的制造條件極其溫和：無(wú)需真空、高溫或復(fù)雜摻雜，只需在室溫下培養(yǎng)菌絲 7 天、干燥、加電極即可。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，隨著電壓頻率的增加，性能會(huì)下降。但這也好辦，可以通過(guò)將更多蘑菇連接到電路來(lái)修復(fù)。團(tuán)隊(duì)稱，這種「長(zhǎng)出來(lái)的芯片」能大幅減少碳排放與材料浪費(fèi)。

奇巧的材料實(shí)驗(yàn)

我們可以想象一種「活體計(jì)算機(jī)」：既能感知環(huán)境，又能在結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)信息。這不僅有助于發(fā)展低功耗人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也為生態(tài)可持續(xù)計(jì)算提供了全新方向。

培養(yǎng)真菌的過(guò)程不需要大型設(shè)施或稀有礦物。該過(guò)程可以擴(kuò)展以發(fā)展大型系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以編程和保存以低成本長(zhǎng)期使用。