Komputery grzybowe. Czy grzyby pokierują maszynami?

Wykorzystując grzyby shiitake (Lentinula edodes), naukowcy z amerykańskiego Uniwersytety w Ohio zbudowali działające układy, elementy obwodów elektronicznych, które „zapamiętują” swoje poprzednie stany elektryczne. W rezultacie powstały biologiczne memrystory o wydajności porównywalnej z chipem krzemowym, ale potencjalnie relatywnie tanie, skalowalne i przyjazne dla środowiska, bo niekłopotliwe w recyklingu.

Czym są memrystory?

Nazwę tę noszą wynalezione jako koncepcje teoretyczne w latach 70-tych XX wieku elementy elektroniczne określane jako bierne, do której to kategorii należą też oporniki, cewki i kondensatory. Pierwszy działający, fizyczny prototyp został zbudowany przez zespół HP Labs pod kierownictwem Stanleya Williamsa w 2008 roku.

Główną cechą memrytora jest zdolność do „zapamiętywania" swojego stanu – zmiany rezystancji (oporności) w zależności od ładunku elektrycznego, który przez niego przepłynął. Jeśli prąd przestanie płynąć, memrystor „pamięta” swoją ostatnią wartość rezystancji (oporu) do momentu ponownego przyłożenia napięcia, co jest podstawą konstrukcji układów komputerowej pamięci nieulotnej NVRAM.

Pojedynczy memrystor służy jako komórka pamięci do przechowywania informacji o wartości jednego bita. Układy memrystorów mają potencjał by zastąpić oparte na krzemie tranzystory w niektórych zastosowaniach.

Dlaczego grzyby nadają się do obliczeń komputerowych?

• · Sieci grzybni strukturalnie przypominają sieci neuronowe.
• · Grzyby przekazują informacje za pomocą sygnałów elektrycznych i chemicznych – podobnie jak neurony w mózgu.
• · Wykazują aktywność transbłonową przypominającą reakcje neuronowe.

Jak działają grzybowe memrystory?

Opracowanie komputera, który zachowuje się jak mózg, wymaga opracowania komponentów, które również zachowują się jak części mózgu. Memrystory mają takie cechy, ale niektórzy naukowcy od pewnego czasu coraz powazniej rozważali wykorzystanie struktur grzybowych jako części komputerowych, także dlatego, że sieci grzybni zachowują się w sposób podobny do sieci neuronowych.

Zespół badawczy pod kierownictwem Johna LaRocco z uczelni w Ohio sięgnął po grzyby shiitake, ponieważ gatunek ten jest uznawany za szczególnie wytrzymały i odporny na czynniki stresogenne, takie jak promieniowanie. Naukowcy zasiali dziewięć próbek w szalkach Petriego wypełnionych podłożem zarodnikami shiitake i hodowali je w kontrolowanych warunkach temperatury i wilgotności. Kiedy grzybnia urosła na tyle, by pokryć całą szalkę Petriego, naukowcy wysuszyli każdą próbkę w dobrze wentylowanym miejscu w bezpośrednim świetle słonecznym, by zapewnić jej długotrwałą żywotność. Tak przygotowane próbki były gotowe do testowania ich zdolności obliczeniowych, po podłączeniu do specjalnie skonstruowanego obwodu, przez który przepływał prąd elektryczny.

„Podłączaliśmy przewody elektryczne i sondy w różnych miejscach grzybów, ponieważ różne ich części mają różne właściwości elektryczne,” - wyjaśnia LaRocco w komunikacie na temat badań - „W zależności od napięcia i połączeń obserwowaliśmy różne wyniki”.

Badacze osiągnęli wydajność 5850 herców przy dokładności 90 proc. swojego „mushristora” (z ang. zlepek słów „mushroom” – „grzyb” i „memristor”), co oznacza to, że przełączał on sygnały z prędkością około 5850 razy na sekundę, czyli jedno przełączenie co około 170 mikrosekund. Najwolniejsze dostępne na rynku memrystory osiągają prędkość nieco poniżej dwukrotności tej wartości, więc uznaje się, iż eksperyment dał obiecujące rezultaty, biorąc pod uwagę, że są to dopiero wstępne badania. Naukowcy odkryli zarazem, że wraz ze wzrostem napięcia elektrycznego wydajność grzyba spadała. Udało im się to skompensować, dodając więcej grzybów do obwodu. Choć są bardzo zadowoleni z wyników swoich eksperymentów, zapewne świat elektroniki musi jeszcze trochę zaczekać na układy pamięci grzybniowej.

Jakie są zalety grzybowych układów pamięci?

• Niski koszt produkcji w porównaniu z chipami krzemowymi
• Skalowalność – więcej grzybów w obwodzie zwiększa możliwości
• Przyjazność dla środowiska – prostszy recykling niż w przypadku krzemu

Czy grzyby były już używane do sterowania maszynami?

Szansę grzybom w sieciach komunikacyjnych i obliczeniowych uczeni dali już wcześniej. W 2024 r. interdyscyplinarny zespół naukowców z Cornell University w Stanach Zjednoczonych i Uniwersytetu we Florencji we Włoszech powierzył jadalnemu grzybowi z gatunku Pleurotus eryngii (pol. boczniak królewski) kontrolę nad parą pojazdów, poruszających się po płaskiej powierzchni.

Ale jak to „powierzyli grzybowi kierowanie pojazdem”? Mówiąc precyzyjnie, chodziło o sprawdzenie w serii eksperymentów, czy możliwe jest wykorzystanie aktywności elektrofizjologicznej grzybni tego grzyba do przekształcania sygnałów środowiskowych w polecenia, które z kolei mogą być użyte do sterowania ruchami urządzenia mechanicznego. Stosując algorytmy oparte na elektrofizjologii grzybni P. eryngii i przekazując wyniki do mikrokontrolera, naukowcy wykorzystali impulsy aktywności wywołane bodźcem – w tym przypadku światłem UV – do przełączania reakcji mechanicznych w dwóch różnych rodzajach urządzeń mobilnych. W kontrolowanych eksperymentach zespół wykorzystał sygnały z hodowli grzybów do sterowania ruchami pięcioramiennego miękkiego robota oraz czterokołowego pojazdu bezprzewodowego.

„Hodując grzybnię w układach elektronicznych robota, umożliwiliśmy tej biohybrydowej maszynie wykrywanie otoczenia i reagowanie na nie” - opisywał te badania Rob Shepherd, materiałoznawca z Uniwersytetu Cornella.

Czy grzyby potrafią się komunikować?

Badania prof. Yu Fukasawy (Uniwersytet Tohoku) wykazały, że grzyby ektomikoryzowe (żyjące w symbiozie z korzeniami drzew), elastycznie zmieniają przepływ sygnałów elektrycznych w odpowiedzi na bodźce środowiskowe (np. wodę, mocz). Komunikacja odbywa się w całej sieci grzybni i zależy od odległości przestrzennej oraz pokrewieństwa genetycznego między osobnikami. Japończycy przyłączyli elektrody do 37 grzybów i zmierzyli ich reakcję na różne próbki wody lub moczu. Wykazali, że przy zmieniających się warunkach grzyby zwiększały lub zmniejszały poziom komunikacji, czyli ilość informacji przekazywanej swoim sąsiadom.

Badane przez nich grzyby ektomikoryzowe (żyjące w symbiozie korzeniami innych roślin - przyp. red.) należą do grupy grzybów zwanych grzybami amoniakalnymi, które są aktywowane przez wysokie stężenie amoniaku w glebie. Ponieważ mocznik (składnik chemiczny moczu) jest prekursorem amoniaku, może on sprzyjać wzrostowi tych grzybów. Mówiąc prościej, lubią one mocz, a dokładniej jedną z substancji chemicznych, w którą się on przekształca w procesach zachodzących w glebie. Po przeanalizowaniu danych dotyczących dynamiki elektrycznej różnych grzybów naukowcy odkryli, że wyniki różniły się w zależności od tego, czy dodano wodę z kranu, czy mocz, czy substancja została naniesiona na niewielki obszar, czy na rozległy obszar. Gdy podawano wodę wokół jednego konkretnego grzyba, zwiększał się przepływ informacji. Zaś w dni, w których podawano mocz, przepływ ten ulegał zmniejszeniu. Podawanie wody na bardziej rozległym obszarze zmniejszało przepływ informacji. Rezultaty zależały nie tylko od podawanej substancji i odległości przestrzennej między grzybami, ale również od „odległości” genetycznej między grzybami (czyli tego, jak blisko były one spokrewnione, na podstawie analizy genomów).

„Przemyślenia, dlaczego grzyby komunikują się w taki sposób, są fascynujące” - komentował badania Fukasawa w publikacji na ich temat - „Na przykład podanie wody wszystkim grzybom może oznaczać, że nie ma potrzeby dzielenia się informacjami, ponieważ cała sieć już wie, co się dzieje, co może być powodem, dla którego przepływ informacji zmniejszył się w tej sytuacji”.

Kiedy pojawią się komercyjne komputery grzybowe?

Technologie obliczeniowe i telekomunikacyjne oparte na grzybach, są na wczesnym etapie badań. Głównym wyzwaniem pozostaje spadek wydajności „działania” grzybów przy wyższych napięciach. Naukowcy są jednak optymistyczni – grzybowe układy pamięci mogą w przyszłości stać się tanią alternatywą dla krzemu, szczególnie w zastosowaniach AI.

Grzyby są na ogół łatwe w hodowli, mają stosunkowo proste wymagania. Mają tendencję do przetrwania tam, gdzie wiele innych organizmów miałoby trudności. Wiele gatunków wykazuje nawet aktywność transbłonową przypominającą reakcje neuronowe w ludzkich mózgach.

Cechy powyższe dają naukowcom możliwości nawet „podsłuchiwania” tajemniczych sygnałów przekazywanych w sieciach grzybni. W szeptach grzybów kryje się głębsza mądrość, którą dopiero zaczynamy rozumieć.

Źródła: 

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

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk8019 https://www.nature.com/articles/s41598-026-42673-y

FAQ: Komputery grzybowe – pytania i odpowiedzi

1. Jak grzyby mogą zastąpić krzem w komputerach? Naukowcy z Uniwersytetu Ohio zbudowali działające memrystory z grzybni shiitake (z ang. „mushristory”). Grzybnia przewodzi prąd elektryczny i zmienia swoje właściwości elektryczne w zależności od przyłożonego napięcia, co umożliwia przechowywanie informacji – podobnie jak tradycyjny chip krzemowy.
2. Jaką wydajność osiągnął prototypowy „mushristor"? Prototyp osiągnął wydajność 5850 herców przy dokładności 90%, co oznacza około 5850 przełączeń sygnału na sekundę. Najwolniejsze komercyjne memrystory są zaledwie ok. dwukrotnie szybsze, więc wyniki uznano za obiecujące jak na wstępny etap badań.
3. Jakie są zalety memrystorów grzybowych w porównaniu z krzemowymi? Potencjalnie są tańsze w produkcji, bardziej skalowalne oraz przyjazne dla środowiska – łatwiejsze w recyklingu niż układy oparte na krzemie lub dyskach magnetycznych.
4. Czy grzyby były wcześniej używane do sterowania urządzeniami mechanicznymi? Tak. W 2024 r. naukowcy z Cornell University i Uniwersytetu we Florencji wykorzystali aktywność elektrofizjologiczną boczniaka królewskiego (Pleurotus eryngii) do sterowania miękkim robotem o pięciu ramionach oraz czterokołowym pojazdem bezprzewodowym – bodźcem wyzwalającym reakcje było światło UV.
5. Czy grzyby potrafią się ze sobą komunikować? Tak. Badania prowadzone przez prof. Yu Fukasawę z Uniwersytetu Tohoku wykazały, że grzyby ektomikoryzowe elastycznie zwiększają lub zmniejszają przepływ sygnałów elektrycznych w odpowiedzi na zmieniające się warunki otoczenia (np. obecność wody lub moczu), co jest formą komunikacji w sieci grzybni.
6. Dlaczego sieci grzybni są porównywane do sieci neuronowych mózgu? Grzybnia ma podobną strukturę do sieci neuronowych i – podobnie jak mózg – przesyła informacje za pomocą sygnałów elektrycznych i chemicznych. Ta analogia sprawia, że naukowcy postrzegają grzyby jako naturalnych kandydatów do budowy biohybrydowych układów obliczeniowych.
7. Kiedy możemy spodziewać się komercyjnych układów pamięci grzybowej? Według badaczy pracujących nad tymi rozwiązaniami świat elektroniki musi jeszcze poczekać – obecne eksperymenty to dopiero wstępna faza badań. Kluczowym wyzwaniem jest m.in. spadek wydajności grzybów przy wyższych napięciach, choć można go częściowo kompensować, łącząc większą liczbę grzybów w obwodzie.

[Autor, Mirosław Usidus jest popularyzotorem nauki i byłym redaktorem naczelnym Młodego Technika]

[Tytuł, lead, sekcje "Co musisz wiedzieć", "Co to oznacza dla Czytelnika" i niektóre śródtytuły od Redakcji]