Живые вычисления: зачем инженеры изучают электрические свойства грибного мицелия

Современная электроника практически полностью опирается на кремниевые технологии. Однако по мере роста требований к энергоэффективности, устойчивости к повреждениям и экологичности ученые все чаще исследуют альтернативные вычислительные среды.

Одним из таких объектов неожиданно стал грибной мицелий — разветвлённая сеть нитей, обеспечивающая рост и питание грибов. Эксперименты показали, что эта биологическая структура способна проводить электрические сигналы и демонстрировать поведение, аналогичное элементам вычислительных систем.

Что такое мицелий и почему он интересен исследователям

Мицелий — это основная «рабочая» часть гриба, скрытая от глаз. Он состоит из тонких нитей — гиф, которые образуют сложную пространственную сеть внутри субстрата (почвы, древесины или другого питательного материала). Через эту сеть гриб транспортирует воду, ионы и органические вещества.

С инженерной точки зрения мицелий представляет интерес как естественная разветвлённая проводящая среда.

Внутри гиф постоянно протекают ионные токи, а электрическая активность меняется в ответ на внешние воздействия — механические, химические или температурные. Это делает мицелий удобной моделью для изучения распределённых вычислений без централизованного управляющего элемента.

Электрическая активность грибов и первые вычислительные эксперименты

Активные исследования в этой области начались в конце 2010-х годов. Одним из ключевых центров стала лаборатория профессора Эндрю Адамацки в Университете Западной Англии. В его работах изучались электрические импульсы в мицелии съедобных грибов, включая вешенку (Pleurotus ostreatus).

Эксперименты показали, что сигналы распространяются по сети грибных гиф не хаотично, а по устойчивым траекториям, формируя повторяющиеся паттерны (устойчивые, повторяющиеся маршруты распространения сигналов). При определённых конфигурациях электродов и стимуляции такие паттерны можно интерпретировать как функциональные аналоги логических операций. Речь идет не о цифровой логике в классическом смысле, а о физическом поведении распределённой системы, где результат определяется взаимодействием множества локальных процессов.

Мемристивные свойства мицелия

Особый интерес у инженеров вызвало обнаружение мемристивного поведения грибной ткани.

Мемристор — это элемент, сопротивление которого зависит от истории приложенного напряжения, то есть он «помнит» предыдущие состояния.

В экспериментах мицелий гриба шиитаке сначала выращивали в контролируемых условиях, а затем подвергали дегидратации. После высушивания структура сохраняла сложную сеть гиф, но становилась стабильным биоматериалом. При подаче электрических сигналов выяснилось, что его сопротивление изменяется в зависимости от ранее поданных импульсов. Это позволяет рассматривать грибной мицелий как биологический аналог мемристора — базового элемента нейроморфных сетей, имитирующего работу синапса.

Важно подчеркнуть: такая «память» не является цифровой. Это аналоговое поведение, где информация кодируется не нулями и единицами, а изменением физических параметров материала.

Ограничения по скорости и стабильности

С практической точки зрения грибные структуры существенно уступают кремниевой электронике. Рабочие частоты мицелия находятся в диапазоне килогерц, тогда как современные микросхемы работают на гигагерцах. Кроме того, биологические материалы чувствительны к влажности, температуре и деградации со временем.

Поэтому грибной мицелий не рассматривается как замена процессоров, оперативной памяти или логических микросхем. Его ценность заключается не в производительности, а в принципе работы — распределённом, адаптивном и энергоэффективном.

Потенциальные области применения

Исследователи рассматривают мицелий как основу для специализированных систем: сенсоров окружающей среды, экспериментальных нейроморфных элементов и адаптивных контроллеров. Такие системы могут быть полезны там, где важна устойчивость к повреждениям, низкое энергопотребление и способность к самоорганизации, а не высокая скорость вычислений.

Кроме того, грибные сети используются как физическая модель для изучения альтернативных архитектур вычислений — в частности, тех, которые ближе к принципам работы биологических нейронных систем.

Итог

Исследования грибного мицелия показывают, что вычислительные свойства могут возникать в природных структурах без кремния, транзисторов и тактовых генераторов. Хотя до практических биокомпьютеров ещё далеко, эти работы расширяют представления о том, как в принципе могут быть устроены вычислительные системы. В перспективе идеи, заимствованные у грибных сетей, могут повлиять на развитие энергоэффективной и адаптивной электроники, даже если сами грибы так и останутся в лабораториях.