科学家利用蘑菇制备生物内存，每秒开关5850次
近日，美国俄亥俄州立大学团队用香菇造出一种蘑菇芯片。当这种由蘑菇驱动的活体计算机作为内存使用时，表现出与传统芯片相似的记忆效应，能以每秒 5,850 个信号的速度切换电状态，准确率在 90% 左右，或能在低能耗和高速计算上带来巨大优势。
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（来源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）
香菇的菌丝体也就是埋在地下的根，可以被培养成一种名为有机忆阻器的全新电子元件。这种蘑菇芯片拥有极速的记忆力，具备超级环保的特性，同时能像大脑一样工作。
它是生物可降解的，不像传统芯片那样会产生大量的电子垃圾，而且制造起来成本更低，不需要昂贵的稀有矿物。
它能够模仿真正的神经活动，这意味着它在不工作的时候，几乎不需要电力来待机，这大大节省了能源，是传统电子设备无法比拟的巨大优势。
这意味着，未来我们的电脑内存条可能不再是使用冰冷的稀有金属制造的，而是使用香菇这种食材长出来的。通过这项研究，研究团队揭示了利用菌丝网络作为下一代计算材料的可能性，未来可用于创建低成本、环保、仿脑的计算组件。
这也为生物电子学和类脑计算打开了大门，预示着我们的电脑、可穿戴设备乃至太空探索仪器，都可能在未来用上这种低能耗、超环保的活体组件。
忆阻器：会思考的电灯开关
在深入了解蘑菇如何变成芯片之前，得先认识一下忆阻器。
传统的电脑芯片比如我们电脑里的内存条和处理器都是由晶体管组成的。晶体管好比是一个电灯开关，它只有两种状态：开和关，即（1，有电流）和（0，没电流）。所有信息都是通过 0 和 1 这两个状态来存储和计算的。就像我们回答对错题一样，尽管简单但却不够灵活。
忆阻器则完全不同，对于它我们不能使用普通的电灯开关来作比喻，而是得使用调光器来比喻。对于一个普通开关来说，当我们关掉它再重新打开，它并不知道自己上次是亮还是暗。但是，一个忆阻器则拥有记忆电阻的能力。当你给它施加电流的时候，它的电阻会发生改变，而且即使电流中断了，它也能记住上次电流中断时它的电阻值是多少。
对于调光器来说，假设电阻值是 X，当你把它调到半亮，然后关掉。当你下次再次打开它的时候，它会立刻回到半亮的状态，因为它记住了电阻值 X。忆阻器正是这样工作的：它的电阻值可以有无数种半亮状态，而这些不同的电阻状态就是它存储信息的方式。这让它能够比传统芯片存储更多的东西，并且可以像人脑一样连续地存储信息。
（来源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）
菌丝网络：蘑菇的地下互联网
那么，科学家是怎么把忆阻能力植入到蘑菇体内的？答案就在蘑菇的地下互联网：菌丝体。
我们通常吃的蘑菇只是整个真菌生命的果实。在地下或者腐木之中，真菌真正的主体是菌丝体。菌丝体是无数细小的白色丝状物交织而成的巨大网络，就像一张张巨大的、布满纤维的网一样。
菌丝体不仅极其坚韧，而且具有极强的环境适应性，它能够感知和响应周围环境的变化。人们早就知道，这个网络可以用来制作各种环保材料。但是，本次研究团队更进一步：他们发现菌丝体网络具备天然的电学特性，让其成为了制造生物电子元件的理想材料。
研究中，他们选取了常见的香菇和蘑菇的菌丝体样本，通过以下四步完成了相关实验：
第一步是培养网络，他们在实验室环境中培养出了健康的菌丝网络；第二步是脱水处理，一旦网络成熟，他们就对样本进行脱水处理，确保这些芯片能够长期保存和使用；第三步是连接电路，他们将传统的电子元件和探针连接到菌丝体的不同点位上；第四步是施加电流训练，他们通过改变电压和频率来对这些蘑菇芯片进行电击训练，这一过程就像训练宠物一样，他们通过施加不同的电刺激来观察蘑菇网络是如何反应的，以及该如何改变它的电阻状态。
结果显示，菌丝体在受到刺激之后，其电导率也就是电流通过的难易程度会发生变化，并且能够记住这种变化，这意味着蘑菇已经展现出了忆阻器的核心功能。
（来源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）
能够模拟人脑，展现出惊人性能和自我修复能力
实验结果显示，这些看似简单的蘑菇芯片，在作为电脑内存进行测试时，表现出了惊人的性能和类脑特征。
随机存取存储器，是电脑中负责临时存储数据，以供 CPU 快速存取的工作内存。随机存取存储器的速度直接决定了电脑的运行速度。
而蘑菇忆阻器在测试中展现出了极高的开关速度：它可以在一秒内完成 5,850 次的电状态切换。对于一个由生物材料制成的元件来说，这是一个非常高的频率，证明了它完全有潜力用于实际电子设备之中。
此外，研究人员在测试中发现了这样一个问题：当不断提高所施加的电流频率时，蘑菇芯片的性能和准确率开始下降。
但是，他们想到这样一个生物解决方案：既然它是一个网络，为什么不扩大网络呢？
就像人类大脑一样，如果一个神经元或神经通路受损或负担过程，其他神经元可以通过建立新的连接来分担工作，甚至形成新的记忆。为此，研究人员尝试通过将更多蘑菇菌丝体连接到电路中来修复性能下降的问题。
结果是，通过扩大菌丝体网络，蘑菇芯片的性能和稳定性果然得到了恢复。这种通过增加网络结构来提高计算能力的行为，与人脑神经元网络的运行方式非常相似。这不仅解决了技术问题，更进一步证明了菌丝体是开发神经形态计算的完美材料。
（来源：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.137）
从食材进化到芯片，助力告别电子垃圾困扰
当前，全球每年都会产生几亿吨的电子垃圾。传统半导体芯片依赖于许多昂贵的稀有矿物，制造过程中会消耗巨大的能源，一旦报废就很难降解或回收。
而蘑菇芯片则提供了一个潜在解决方案。蘑菇和菌丝体都是一种易于获取、生长迅速的生物材料，制造它们的成本比传统芯片低得多。
当蘑菇芯片被淘汰的时候，可以把它扔进堆肥箱，这时它就会像任何生物残渣一样自然地分解。
此外，我们目前使用的电子设备当处于待机状态的时候，都会持续低消耗电力，为的是能在需要时快速启动，但这也造成了惊人的能源浪费。
而蘑菇忆阻器的不同之处在于，由于它们模拟了神经活动，因此它们能够记住自己的电状态，而不需要持续的电力来维持这种记忆。只有在进行计算或状态切换时才需要能源，待机功耗非常低。而这种特性对于未来的电池供电设备可谓是至关重要。
总的来说，蘑菇芯片揭开了真菌智能的未来图景。在地球生态中，菌丝体网络已经存在数亿年之久，如今研究人员发现它们能够感知环境、传递信号和协调生长，甚至展示出类似于记忆的行为。当天然智能与电子工程的相遇，可能会带来既高效、又具有环境意识的计算系统。
参考资料：
相关论文 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0328965
运营/排版：何晨龙
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