Huby Shiitake ako biočipy: Konkurencia pre kremíkové polovodiče?

Shiitake, známe skôr z ázijskej kuchyne, by mohli prekvapiť v oblasti výpočtovej techniky. Vedci zistili, že tieto huby môžu fungovať ako živé procesory, uchovávať a spracovávať dáta podobne ako čipy, no s minimálnym dopadom na životné prostredie.

Vedci z Ohio State University preukázali, že huby dokážu fungovať ako memristory – mikroskopické súčiastky, ktoré spracovávajú a uchovávajú dáta v počítačových čipoch. Tím zistil, že zariadenia na báze húb shiitake vykazujú podobné opakovateľné pamäťové efekty ako čipy na báze polovodičov. Mohli by sa použiť na vytvorenie lacnejších, ekologických komponentov inšpirovaných nervovými sieťami.

„Schopnosť vyvinúť mikročipy, ktoré napodobňujú skutočnú nervovú aktivitu, znamená, že nepotrebujete veľa energie v pohotovostnom režime alebo keď sa stroj nepoužíva,“ povedal vedúci autor John LaRocco, výskumník z Ohio State’s College of Medicine. „To môže byť obrovská potenciálna výpočtová a ekonomická výhoda.“

Memristor („pamäťový rezistor“) je obvodový prvok, ktorý mení svoj odpor v závislosti od toho, koľko prúdu ním prešlo – v podstate si pamätá minulú elektrickú aktivitu. Tradičné memristory sú vyrobené z oxidov kovov alebo kremíka a vyžadujú minerály vzácnych zemín, výrobu pri vysokej teplote a veľa energie na prevádzku. Na rozdiel od toho, hubové podhubie – podzemná sieť vlákien, ktorá pomáha hubám kŕmiť sa a komunikovať – ​​sa dá pestovať pri izbovej teplote a na konci svojho životného cyklu sa dá ľahko kompostovať.

Komentár redakcie: Objav vedcov z Ohio State University otvára nové možnosti v oblasti ekologickej elektroniky. Použitie húb shiitake ako biočipov predstavuje alternatívu k tradičným kremíkovým polovodičom, znižuje závislosť od vzácnych nerastov a vysokých teplôt výroby. Okrem toho, biočipy z húb sú kompostovateľné, čím minimalizujú environmentálnu záťaž. Potenciálne využitie húb v oblasti výpočtovej techniky a energetiky je sľubné a môže viesť k inovatívnym a udržateľným riešeniam.

„Podhubie ako výpočtový substrát bolo skúmané už predtým v menej intuitívnych nastaveniach, ale naša práca sa snaží posunúť jeden z týchto memristorových systémov až na jeho hranice,“ dodal LaRocco.

Výskumníci pestovali huby shiitake a šampiňóny na organickom substráte v Petriho miskách, až kým vzorku nepokryla hustá podhubová rohož. Tieto rohože boli potom dehydratované a pripojené k elektronickým obvodom. Keď sa aplikovalo napätie – od 10 Hz do 5 850 Hz – hubové obvody sa začali správať ako organické memristory.

„Pripojili sme elektrické káble a sondy v rôznych bodoch na hubách, pretože odlišné časti z nich majú rôzne elektrické vlastnosti,“ povedal LaRocco. „V závislosti od napätia a konektivity sme videli rôzne výkony.“

Po dvoch mesiacoch tím zistil, že keď sa memristor z húb používa ako RAM, dokáže prepínať medzi elektrickými stavmi – a uchovávať tieto informácie – až do 5 850 signálov za sekundu s približne 90 % presnosťou. Pri nízkych frekvenciách dosiahol až 95 % presnosť prepínania. Výkon klesal so zvyšujúcou sa frekvenciou napätí, ale to sa dalo napraviť pripojením viacerých húb k obvodu.

Zatiaľ čo elektronika na báze húb nie je úplne nová, vedci sa čoraz viac zaujímajú o využitie húb na výpočty a výrobu energie. Podhubie tvorí samoregeneračnú trojrozmernú mriežku, ktorá prenáša elektrické impulzy v reakcii na podnety, podobne ako neuróny v mozgu. Na rozdiel od kremíka je tento druh organického systému flexibilný, škálovateľný a schopný rásť do nových konfigurácií. A samozrejme, je oveľa ekologickejší ako súčasné syntetické modely.

„Spoločnosť si čoraz viac uvedomuje potrebu chrániť naše životné prostredie a zabezpečiť, aby sme ho zachovali pre budúce generácie,“ povedala spoluautorka Qudsia Tahmina, docentka elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Ohio State. „Takže to môže byť jeden z hnacích motorov nových bio-priateľských nápadov, ako sú tieto.“

Zatiaľ čo pre organické memristory sú to ešte len začiatky, výskumníci plánujú hľadať spôsoby pestovania húb, ktoré by zmenšili zariadenia na veľkosť, ktorú by potrebovali na použitie v reálnom svete. Výskumníci už pracujú na využití húb na batérie a na výrobu elektriny.

„Všetko, čo by ste potrebovali na začatie skúmania húb a výpočtovej techniky, by mohlo byť také malé ako hromada kompostu a nejaká domáca elektronika, alebo také veľké ako kultivačná továreň s vopred vyrobenými šablónami,“ povedal LaRocco. „Všetky sú životaschopné so zdrojmi, ktoré máme pred sebou teraz.“

Výskum bol publikovaný v časopise PLOS One.

Zdroj: Ohio State University