10 Minute
Cercetătorii au transformat un fung culinar cunoscut într-un component funcțional de calculator: miceliul de shiitake poate acţiona ca un memristor — un dispozitiv electronic care memorează stări electrice anterioare. Această demonstrație timpurie de concept deschide o direcție promițătoare spre hardware de memorie cu cost redus, biodegradabil și eficient din punct de vedere energetic, construit din rețele vii în loc de siliciu. Studiile inițiale sugerează că materialele biologice, precum miceliul (rețelele de hife), pot oferi proprietăți memristive utile pentru cercetarea în bioelectronică și calcul neuromorf, dar adaptarea la aplicații practice va necesita optimizare tehnică și controlul variabilității biologice.
Fungi ca hardware: ce face un memristor și de ce contează miceliul
Memristorii sunt componente de circuit a căror rezistență electrică variază în funcție de istoricul curentului care a trecut prin ele. Această memorie inerentă a stării electrice îi face analogi naturali pentru sinapsele biologice din arhitecturile de calcul neuromorf — sisteme proiectate să imite modul în care creierul procesează informația. Spre deosebire de tranzistoare, memristorii pot păstra informația despre semnalele anterioare fără alimentare continuă, permițând dispozitivelor să consume mai puțină energie în regim standby și să execute anumite sarcini cognitive sau de recunoaștere în mod mai eficient energetic.
Rețelele miceliale, acele structuri fibroase asemănătoare rădăcinilor pe care le formează ciupercile, transmit în mod natural semnale electrice și chimice și creează rețele complexe, adaptative. Aceste proprietăți au atras interesul inginerilor, neurologilor și cercetătorilor în materiale pentru dezvoltarea unor materialelor capabile să emuleze sinapsele biologice. Shiitake (Lentinula edodes) este deosebit de interesant: se cultivă ușor la scară, manifestă o rezistență relativ bună la diverși factori de stres de mediu (inclusiv unele forme de radiație) și poate fi produs la costuri reduse. Din punct de vedere structural, miceliul conține chitină în pereții celulari ai hifelor, canale ionice și o matrice extracelulară care poate susține transportul de ioni și electroni pe distanțe mici, oferind posibile mecanisme pentru comportamentul memristiv observat.
Din perspectiva calculului neuromorf, memristorii biologici prezintă avantaje conceptuale: plasticitate dependentă de timp, comportament analog și posibilitatea de a integra procesare și stocare în același material. Pentru aplicații practice este crucial să înțelegem atât fenomenele fizico-chimice (migrarea ionilor, procese redox, umiditate și conținut de apă) care generează efectul memristiv, cât și constrângerile tehnologice (enduranță, timp de retenție, reproducibilitate) impuse de materia vie.
Cum a funcționat experimentul
În studiu, cercetătorii au inoculat nouă plăci Petri cu spori de shiitake într-un substrat nutritiv și au permis miceliului să crească sub condiții controlate de temperatură și umiditate. Substratul a fost conceput pentru a susține dezvoltarea unei plăci miceliale dense; compoziția tipică include materii organice sterilizate (de exemplu, rumeguș sau hârtie reciclată) și nutrienți care hrănesc hifele. Când covorul micelial a acoperit suprafața plăcii, probele au fost uscate ușor în zone bine ventilate și expuse la lumină solară indirectă pentru a stabiliza materialul înainte de testele electrice. Etapa de stabilizare urmărește reducerea variabilității cauzate de umiditate excesivă și de activitatea metabolică în curs.
Probele pregătite au fost apoi conectate într-un circuit personalizat și examinate în mai multe puncte, deoarece regiuni diferite ale miceliului au prezentat proprietăți electrice distincte. Investigația a inclus plasarea unor electrozi de contact (de obicei fire subțiri, plăci conductoare sau paste conductive) pe mai multe regiuni ale covorului micelial, astfel încât să se poată mapă distribuția rezistenței și a semnalelor. Echipa a variat tensiunile aplicate și topologia conexiunilor pentru a cartografia modul în care materialul fungic răspunde la stimulii electrici. Prin monitorizarea curentului și a schimbărilor de rezistență în timp, cercetătorii au observat comportament memristiv — semnătura unui component care „ține minte" stările electrice anterioare.
În experiment, s-au analizat curbe tensiune-curent (I–V) pentru a identifica formarea de bucle de histerezis și pentru a cuantifica parametrii memristivi: variația rezistenței între stări, viteza de comutare, retenția stării și stabilitatea în cicluri repetate. Deși inginerii construiesc de obicei memristori din oxizi metalici sau structuri la scară nanometrică pe bază de siliciu, demonstrarea unui comportament similar în țesut biologic deschide o nouă clasă de materiale pentru bioelectronică, cu proprietăți analoge și posibilități de integrare diferite față de soluțiile tradiționale.
Memristorii miceliali conectați la un circuit. (LaRocco et al., PLOS One, 2025)
Performanță, compromisuri și rezultate inițiale
Echipa a raportat comutarea la aproximativ 5.850 Hz cu o precizie de circa 90% în configurația lor experimentală — ceea ce înseamnă că memristorul fungic putea schimba starea aproape de 5.850 de ori pe secundă în condițiile testului. Această rată este mai lentă decât cea a celor mai rapide memristori din siliciu comerciali, dar comparabilă cu limita inferioară a unor dispozitive utilizabile în lumea reală, și rămâne remarcabilă pentru un dispozitiv biologic de primă generație. Pentru aplicații neuromorfe, frecvența de comutare și latența pot fi la fel de importante ca viteza brută: multe rețele spiking funcționează la rate mult mai scăzute, astfel încât memristorii mai lenți pot fi încă relevanți pentru anumite topologii de rețea sau noduri senzoriale de mic consum.
Cercetătorii au observat, de asemenea, că aplicațiile de tensiuni mai mari degradează performanța: expunerea repetată la pulse cu amplitudini mari a dus la instabilitate, reducerea diferenței dintre stările de rezistență și, în unele cazuri, la deteriorarea fizică a probei. O soluție propusă de echipă a fost adăugarea unor elemente miceliale suplimentare în circuit pentru a distribui sarcina și a stabiliza comportamentul — o metodă analogă paralelizării componentelor electronice pentru a reduce stresul pe un singur element. Această abordare implică însă compromisuri: complexitatea sistemului crește, la fel și cerințele de control al producției.
Variabilitatea biologică și sensibilitatea la mediu sunt provocări clare. Spre deosebire de cipurile fabricate industrial, materia vie poate fi inconsistentă între loturi, iar stabilitatea pe termen lung necesită procese de prelucrare, uscare, imobilizare sau ambalare atent gândite. Posibile strategii tehnice includ impregnarea cu polimeri conductivi pentru stabilizare, liofilizarea controlată pentru a păstra structura micelială, integrarea cu substraturi flexibile sau printate și dezvoltarea de interfețe standardizate electrode–țesut. În plus, parametrii precum umiditatea relativă, temperatura și expunerea la compuși volatili influențează direct conducția ionic/electronică în materialul biologic.
De ce este important: sustenabilitate și accesibilitate
Memristorii fungici ar putea oferi avantaje acolo unde costul redus, biodegradabilitatea sau ușurința cultivării sunt factori cheie. Gândiți-vă la senzori în medii îndepărtate construiți din electronică compostabilă, kituri educaționale care permit elevilor să construiască circuite bioelectronice simple în clasă sau la noduri de procesare pentru Internet of Things (IoT) care pot fi biodegradate la sfârșitul ciclului de viață. În situații constrânse precum misiunile spațiale sau desfășurările pe teren în zone izolate, capacitatea de a crește și repara elemente de calcul local ar putea reduce dependența de lanțurile de aprovizionare și ar putea facilita reziliența logistică.
Aceste avantaje de durabilitate și accesibilitate se suprapun cu tendințele curente în ingineria materialelor: interes pentru materiale circulare, reducerea deșeurilor electronice și proiectare pentru recondiționare sau reciclare. Dispozitivele bioelectronice pe bază de miceliu pot contribui la ecologie materială dacă sunt dezvoltate cu criterii de toxicitate scăzută, capacitate de compostare și integrare în lanțuri locale de aprovizionare a biomasei. Totuși, este improbabil ca aceste dispozitive să înlocuiască pe termen scurt cipurile din siliciu din smartphone-urile comerciale; mai degrabă, bioelectronica fungică are potențialul de a obține nișe semnificative în cercetare neuromorfă, senzori de mediu și aplicații în care eficiența energetică și abordările cu materiale circulare sunt prioritare.
Direcții viitoare și pași de cercetare
Următoarele etape includ îmbunătățirea reproductibilității, scalarea arhitecturilor de dispozitive și integrarea memristorilor miceliali cu electronica convențională. Testele viitoare vor investiga longevitatea în condiții variate, toleranța la fluctuații de umiditate și temperatură și metode potențiale de hibridizare a țesuturilor fungice cu platforme de circuite imprimate. Se vor testa și metode de ambalare care mențin proprietățile electrice în timp, precum și moduri de a controla microambianța biologică pentru a limita degradarea.
Acest teren de cercetare intersectează știința materialelor, biologia sintetică și ingineria electronică; progresul real va depinde de echipe interdisciplinare capabile să combine tehnici de cultură microbă, caracterizare electrică la scară mică, modelare fizică a proceselor memristive și inginerie de sistem pentru integrare. Cercetări adiționale pot include folosirea ingineriei genetice pentru a modifica proprietăți ale miceliului (de exemplu, compoziția pereților celulari sau expresia de proteine conductoare), dezvoltarea de electrozi flexibili compatibili biologiei și adaptarea algoritmilor neuromorfi pentru a tolera variabilitatea componentelor biologice.
Expert Insight
„Atracția memristorilor pe bază de miceliu nu constă în faptul că vor depăși imediat siliciul, ci în extinderea palettei de materiale cu care inginerii pot proiecta”, spune Dr. Elena Cruz, un ipotetic inginer în bioelectronică. „Dacă reușim să controlăm variabilitatea și să ambalăm aceste materiale corespunzător, ele ar putea permite noduri neuromorfe cu consum redus de energie și componente electronice cu adevărat circulare.”
Citatul subliniază importanța viziunii practice: miceliul nu e un substitut universal pentru materiale semiconductoare, dar oferă alternative interesante pentru proiectare atunci când sustenabilitatea, costul și capacitatea de regenerare sunt decisive. Echipele care urmăresc comercializarea ar trebui să se concentreze pe definirea aplicațiilor potrivite, unde performanța biologică se potrivește specificațiilor sistemului și unde avantajele ecologice pot compensa limitările de performanță.
Cu cercetarea publicată în PLOS One și realizată de grupuri care explorează intersecția dintre fungi și calcul, expresia folosită de autori — „The future of computing could be fungal” (Viitorul calculului ar putea fi fungic) — pare acum mai puțin hiperbolică și mai mult o invitație: să experimentăm, să adaptăm și să imaginăm tehnologii de calcul care sunt cultivate în loc să fie fabricate. Pentru a transforma această invitație în realitate, sunt necesare secvențe riguroase de testare, standarde pentru materialele bioelectronice și colaborări între laboratoare de biologie, centre de cercetare în materiale și industrii electronice. Pe termen lung, integrarea memristorilor miceliali în sisteme hibride cu CMOS sau în arhitecturi neuromorfe distribuite ar putea oferi soluții inovatoare pentru aplicații specifice, cum ar fi rețele senzoriale biodegradabile, echipamente educaționale sau componente regenerabile pentru misiuni autonome.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu