近日，美國俄亥俄州立大學(xué)團(tuán)隊用香菇造出一種蘑菇芯片。當(dāng)這種由蘑菇驅(qū)動的活體計算機(jī)作為內(nèi)存使用時，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)芯片相似的記憶效應(yīng)，能以每秒 5,850 個信號的速度切換電狀態(tài)，準(zhǔn)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(jī)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(jī)，這大大節(jié)省了能源，是傳統(tǒng)電子設(shè)備無法比擬的巨大優(yōu)勢。

這意味著，未來我們的電腦內(nèi)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(tuán)隊揭示了利用菌絲網(wǎng)絡(luò)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(xué)和類腦計算打開了大門，預(yù)示著我們的電腦、可穿戴設(shè)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(guān)

在深入了解蘑菇如何變成芯片之前，得先認(rèn)識一下憶阻器。

傳統(tǒng)的電腦芯片比如我們電腦里的內(nèi)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(guān)，它只有兩種狀態(tài)：開和關(guān)，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(guān)來作比喻，而是得使用調(diào)光器來比喻。對于一個普通開關(guān)來說，當(dāng)我們關(guān)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(dāng)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(diào)光器來說，假設(shè)電阻值是 X，當(dāng)你把它調(diào)到半亮，然后關(guān)掉。當(dāng)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(luò)：蘑菇的地下互聯(lián)網(wǎng)

那么，科學(xué)家是怎么把憶阻能力植入到蘑菇體內(nèi)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(xì)小的白色絲狀物交織而成的巨大網(wǎng)絡(luò)，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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，它能夠感知和響應(yīng)周圍環(huán)境的變化。人們早就知道，這個網(wǎng)絡(luò)可以用來制作各種環(huán)保材料。但是，本次研究團(tuán)隊更進(jìn)一步：他們發(fā)現(xiàn)菌絲體網(wǎng)絡(luò)具備天然的電學(xué)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(guān)實驗：

• 第一步是培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)，他們在實驗室環(huán)境中培養(yǎng)出了健康的菌絲網(wǎng)絡(luò)；
• 第二步是脫水處理，一旦網(wǎng)絡(luò)成熟，他們就對樣本進(jìn)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(xùn)練，他們通過改變電壓和頻率來對這些蘑菇芯片進(jìn)行電擊訓(xùn)練，這一過程就像訓(xùn)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(luò)是如何反應(yīng)的，以及該如何改變它的電阻狀態(tài)。

結(jié)果顯示，菌絲體在受到刺激之后，其電導(dǎo)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(fù)能力

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

隨機(jī)存取存儲器，是電腦中負(fù)責(zé)臨時存儲數(shù)據(jù)，以供 CPU 快速存取的工作內(nèi)存。隨機(jī)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(guān)速度：它可以在一秒內(nèi)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(shè)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(dāng)不斷提高所施加的電流頻率時，蘑菇芯片的性能和準(zhǔn)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(luò)，為什么不擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)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(fù)擔(dān)過程，其他神經(jīng)元可以通過建立新的連接來分擔(dān)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(fù)性能下降的問題。

結(jié)果是，通過擴(kuò)大菌絲體網(wǎng)絡(luò)，蘑菇芯片的性能和穩(wěn)定性果然得到了恢復(fù)。這種通過增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提高計算能力的行為，與人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的運行方式非常相似。這不僅解決了技術(shù)問題，更進(jìn)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(jìn)化到芯片，助力告別電子垃圾困擾

當(dāng)前，全球每年都會產(chǎn)生幾億噸的電子垃圾。傳統(tǒng)半導(dǎo)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(dāng)蘑菇芯片被淘汰的時候，可以把它扔進(jìn)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(shè)備當(dāng)處于待機(jī)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(jìn)行計算或狀態(tài)切換時才需要能源，待機(jī)功耗非常低。而這種特性對于未來的電池供電設(shè)備可謂是至關(guān)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(luò)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(diào)生長，甚至展示出類似于記憶的行為。當(dāng)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(guān)論文 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0328965

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