9 دقیقه
پژوهشگران یک قارچ آشپزی شناخته‌شده را به یک عنصر عملی در سخت‌افزار تبدیل کرده‌اند: میسیلیوم شییتاکه میتواند مانند یک مِمریستور عمل کند — دستگاه الکترونیکی‌ای که حالتهای الکتریکی گذشته را به خاطر می‌آورد. این اثبات مفهوم اولیه یک مسیر بالقوه به سمت سخت‌افزار حافظهٔ ارزان، قابل‌تجزیه و کممصرف را نشان می‌دهد که به‌جای سیلیکون از شبکه‌های زنده ساخته شده است و میتواند زمینه‌ای نو برای الکترونیک زیستی و حافظهٔ زیستی فراهم کند.
قارچ‌ها بهعنوان سخت‌افزار: ممریستور چیست و چرا میسیلیوم اهمیت دارد
مِمریستورها اجزای مداری هستند که مقاومت الکتریکی‌شان براساس تاریخ جریان عبوری تغییر میکند؛ به‌عبارت دیگر، این قطعات بهطور طبیعی حالتهای الکتریکی قبلی را حفظ میکنند و به همین دلیل بهعنوان آنالوگ‌های مناسب سیناپسها در محاسبات نورومورفیک شناخته می‌شوند — سیستم‌هایی که برای تقلید از نحوهٔ پردازش اطلاعات در مغز طراحی شده‌اند. برخلاف ترانزیستورها، ممریستورها می‌توانند بدون نیاز به توان دائم، سابقهٔ سیگنالهای گذشته را نگه دارند که این مزیت منجر به دستگاه‌هایی با مصرف انرژی کمتر در حالت آماده‌به‌کار و کارایی بالاتر در انجام پردازش‌های شبیه به مغز می‌شود. از منظر طراحی مدارات کممصرف و معماریهای مبتنی بر شبکه‌های سیناپسی، ممریستورها نقش کلیدی دارند چون امکان ذخیره‌سازی حالت در سطح ماده را فراهم میکنند و به کاهش پیچیدگی کنترل‌های خارجی کمک میکنند.
شبکه‌های میسیلیال، ساختارهای رشته‌ای شبیه به ریشه در قارچ‌ها، بهطور طبیعی سیگنالهای الکتریکی و شیمیایی را منتقل میکنند و شبکه‌هایی پیچیده و تطبیقی تشکیل می‌دهند. این خصیصه‌ها توجه مهندسان مواد، دانشمندان نوروبیولوژی و محققان الکترونیک زیستی را جلب کرده است که به‌دنبال مواد شبیه‌سازی‌کنندهٔ سیناپسهای زیستی می‌گردند. گونهٔ شییتاکه (Lentinula edodes) به‌ویژه جذاب است: رشد قوی و مقیاس‌پذیر دارد، در برابر تنشهای محیطی مانند تابش مقاوم است و می‌توان آن را با هزینهٔ نسبتاً کم کشت داد. این ویژگی‌ها، به‌علاوهٔ امکان اصلاح شرایط رشد و آماده‌سازی نمونهها، شییتاکه را به گزینه‌ای عملی برای پژوهش در حافظهٔ بایونیکی و الکترونیک سازگار تبدیل میکند.
چگونه آزمایش انجام شد
در این مطالعه، پژوهشگران نه ظرف پتری را با اسپورهای شییتاکه در بستری مغذی تلقیح کردند و اجازه دادند میسیلیوم تحت شرایط کنترل‌شدهٔ دما و رطوبت رشد کند. پس از آنکه فرش میسیلیال سطح ظرف را پوشش داد، نمونهها در فضاهای دارای تهویه و در معرض نور خورشید خشک شدند تا برای آزمایش‌های الکتریکی تثبیت شوند؛ این فرآیند خشک‌سازی و تثبیت نقش مهمی در پایداری خواص الکتریکی ایفا میکند و به حذف متغیرهای زیستی موقت کمک میکند. نمونه‌های آماده‌شده سپس به مدارهای سفارشی متصل شدند و در چند نقطه آزمون شدند، زیرا نواحی مختلف میسیلیوم نشان‌دهندهٔ خواص الکتریکی متمایزی بودند و نگاشت فضایی لازم بود تا رفتار مادهٔ قارچی در سطوح مختلف فهمیده شود.
تیم پژوهشی ولتاژها و الگوهای اتصالی را تغییر داد تا واکنش مادهٔ قارچی را نگاشت‌برداری کنند. با پایش تغییرات جریان و مقاومت در طول زمان، آن‌ها رفتار ممریسیو — علامت شناخته‌شدهٔ قطعه‌ای که «حالتهای الکتریکی گذشته را به‌خاطر می‌آورد» — را مشاهده کردند. معمولاً مهندسان ممریستورها را از اکسیدهای فلزی یا ساختارهای سیلیکونی نانومقیاس می‌سازند؛ نشان دادن رفتار مشابه در بافت زیستی در واقع طبقهٔ جدیدی از مواد را برای الکترونیک زیستی و بایوانتقال‌دهنده‌ها باز میکند و سوالاتی دربارهٔ سازگاری، رابط‌های الکترودی و روشهای یکپارچهسازی را مطرح می‌سازد.
مِمریستورهای میسیلیال متصل به یک مدار. (LaRocco et al., PLOS One, 2025)
عملکرد، موازنه‌ها و نتایج اولیه
تیم گزارش داد که در تنظیمات آزمایشی آن‌ها، سوئیچینگ در حدود 5,850 هرتز با دقت تقریباً 90٪ رخ داده است — یعنی ممریستور قارچی می‌توانست حالت خود را تقریباً 5,850 بار در ثانیه تغییر دهد. این نرخ کندتر از سریع‌ترین ممریستورهای تجاری مبتنی بر سیلیکون است اما با بازهٔ پایین‌تر دستگاه‌های دنیای واقعی قابل‌مقایسه است، و برای یک دستگاه زیستی نسل اول قابل‌توجه به‌شمار می‌آید. این رقم نشان‌دهندهٔ پتانسیل نمونه برای پردازش‌های زمان‌حساس است، اگرچه بهطور قطعی برای کاربردهای با عملکرد بالا و فرکانس‌های بسیار بالا کافی نیست.
پژوهشگران همچنین دریافتند که ولتاژهای اعمال‌شدهٔ بالاتر عملکرد را کاهش می‌دهند؛ یکی از راه‌حل‌ها اضافه کردن عناصر میسیلیال بیشتر در مدار برای توزیع بار و تثبیت رفتار بود. تغییرپذیری زیستی و حساسیت محیطی چالشهای واضحی هستند: بر خلاف تراشه‌های ساخته‌شده، مادهٔ زنده ممکن است بین نمونهها ناسازگار باشد و پایداری درازمدت نیازمند فرآیندهای دقیق پیش‌پردازش و بستهبندی است. ملاحظاتی مانند پیری بافت، نفوذپذیری رطوبت، اثرات دما و تغییرات ترکیب زیستمحیطی میتواند خواص الکتریکی را دگرگون کند؛ بنابراین توسعهٔ روشهای محافظت، پوشش‌دهی و هم‌بستگی با الکترودهای مطمئن برای اطمینان از عملکرد تکرارپذیر ضروری است.
از منظر مهندسی، بهبود عملکرد میتواند شامل طراحی الکترودهای بهتر، به‌کارگیری لایه‌های واسط رسانا یا پلیمری، و کنترل دقیق‌تر شرایط کشت و تثبیت نمونهها باشد. همچنین راهبردهای هیبریدی که میسیلیوم را با مواد رسانای سنتزی یا الکترونیک چاپ‌شده ترکیب میکنند، امکان مقیاس‌بندی و یکپارچهسازی با بردهای الکترونیکی سنتی را تسهیل میکند. در نهایت، ارزیابی معیارهای معیارگذاری مانند پایداری در طول چرخه‌های سوئیچینگ، نرخ خطا، و عمر مفید از جنبه‌های کلیدی برای قضاوت دربارهٔ آمادگی فناوری است.
اهمیت این کار: پایداری و در دسترس‌پذیری
ممریستورهای قارچی می‌توانند در مواردی که هزینهٔ پایین، قابلیت تجزیه‌پذیری یا سهولت کشت اهمیت دارد، مزیت‌هایی ارائه کنند. تصور کنید حسگرهایی در محیطهای دورافتاده ساخته شوند از الکترونیک قابل کمپوست که پس از پایان عمر مفید به‌سادگی در چرخهٔ مواد بازگردانده شوند؛ یا کیتهای آموزشی که به دانش‌آموزان امکان می‌دهد مدارهای سادهٔ بایوانتقالی را در کلاس درس بسازند و مفاهیم محاسبات نورومورفیک و الکترونیک زیستی را تجربه کنند. در شرایط محدود مانند سفرهای فضایی یا استقرارهای میدانی در مناطق صعب‌العبور، توانایی رشد و تعمیر عناصر محاسباتی در محل میتواند وابستگی به زنجیرهٔ تأمین را کاهش دهد و فرصت‌هایی برای تولید در موقعیت فراهم کند.
با این حال، این دستگاه‌ها به‌احتمال زیاد به‌زودی جایگزین تراشه‌های سیلیکونی مرسوم در گوشی‌های هوشمند مصرفی نخواهند شد. در عوض، الکترونیک قارچی احتمالاً حوزههای نیچ را در پژوهش نورومورفیک، ردیابی محیطی، حسگرهای کممصرف و کاربردهایی که اولویت با کارایی انرژی و رویکردهای مواد چرخهپذیر است، به‌دست خواهند آورد. ترکیب مزایای زیست‌تجزیه‌پذیری، رشد مقرونبهصرفه و توانایی تعامل با محیط زیستی میتواند ارزش افزوده‌ای در پروژه‌های پایدار و مدارهای حساس به محیط ایجاد کند.
راهبردهای آینده و گام‌های پژوهشی
گام‌های بعدی شامل بهبود تکرارپذیری، مقیاس‌دهی معماریهای دستگاه و یکپارچهسازی ممریستورهای میسیلیال با الکترونیک متداول است. پژوهشگران همچنین باید طول عمر، تحمل نسبت به نوسانات رطوبت و دما، و روشهای بالقوهٔ ترکیب با پلتفرم‌های چاپ‌شدهٔ مدار را آزمایش کنند. این حوزه تلاقی‌های متعددی با علم مواد، زیست‌شناسی سنتتیک و مهندسی الکترونیک دارد و پیشرفت آن وابسته به تیم‌های بین‌رشته‌ای است که می‌توانند پارامترهای زیستی را به‌زبان مهندسی ترجمه کنند.
از نظر فنی، کارهای لازم شامل توسعهٔ الکترودهای سازگار با بافت، لایه‌بندی برای محافظت در برابر رطوبت، و طراحی مدارات هیبریدی است که از امکانات میسیلیوم برای ذخیرهٔ حالت استفاده میکنند در حالی که رابط‌های الکترونیکی سنتی وظایف پردازشی و ارتباطی را بر عهده دارند. همچنین استانداردسازی روشهای کشت، تثبیت و آزمون، ایجاد پروتکل‌های کیفیت برای نمونهها، و تعریف معیارهای عملکرد (مثلاً نرخ سوئیچینگ، دوام چرخه‌ای، و پایداری فازی) از اولویت‌ها خواهد بود. در سطح بالاتر، باید پیامدهای زیستمحیطی و ایمنی زیستی ارزیابی شوند تا اطمینان حاصل شود که کاربردهای میدانی هم ایمن و هم پایدار هستند.
دیدگاه کارشناسان
«جذابیت ممریستورهای مبتنی بر میسیلیوم این نیست که بلافاصله از سیلیکون بهتر عمل کنند، بلکه این است که قلمرو مواد را که مهندسان می‌توانند با آن طراحی کنند گسترش می‌دهند»، دکتر النا کروز، یک مهندس فرضی در حوزهٔ الکترونیک زیستی، می‌گوید. «اگر بتوانیم تغییرپذیری را مهار کنیم و این مواد را بستهبندی کنیم، آن‌ها می‌توانند گره‌های نورومورفیک کممصرف و اجزای الکترونیکی واقعاً چرخهپذیر را ممکن سازند.» این نکته اهمیت ترکیب نگاه مهندسی با درک عمیق از زیست‌شناسی بافت را نشان می‌دهد تا پتانسیل کاربردی مواد زیستی باز شود.
با انتشار نتایج در PLOS One و فعالیت تیم‌هایی که قارچ و محاسبات را بررسی میکنند، عبارت نویسندگان — «آیندهٔ محاسبات ممکن است قارچی باشد» — اکنون کمتر شبیه اغراق و بیشتر شبیه دعوتی برای آزمایش، تطبیق و تصور فناوری‌هایی است که به‌جای ساختن، رشد داده می‌شوند. پیشرفت در این مسیر نیازمند آزمایش‌های تکرارشونده، استانداردسازی پروتکل‌ها، و شناسایی حوزههای کاربردی واقعی است که در آن‌ها خواص منحصربه‌فرد میسیلیوم مزیت عملی ارائه می‌دهد؛ از رصد محیطهای طبیعی تا ابزارهای آموزشی و حسگرهای کممصرف در اینترنت اشیا (IoT) مبتنی بر مواد زیستی.
منبع: sciencealert
نظرات
توربو
خوبه ولی یه ذره هایپ شده؛ شعار «آینده محاسبات قارچی» عجولانست، نیاز به داده‌های دوام و چرخه‌ای بهتر دارن، نه فقط ادعا
دانیکس
تصور الکترونیک قابل کمپوست و مدارهای رشد یافته تو میدان جذابه. کاربرد آموزشی و فضایی واقعا پتانسیل داره؛ اول معیارها رو ثابت کنن
پمپزون
من خودم کشت قارچ دیدم، تثبیت نمونه خیلی فرق میکنه بین ناحیه‌ها، ایده خوبه ولی استانداردسازی یه کابوسه!
توماس
این واقعیه یا فقط یک proof-of-concept؟ حساسیت به رطوبت و پیری بافت که بزرگه، یعنی تو عمل محدودن؟...
رودکس
وای جدی؟ میسیلیوم شییتاکه شد ممریستور! یعنی سخت‌افزاری که رشد داده میشه... اگه بتونن پایداری رو حل کنن، واقعا انقلابیه
ارسال نظر