Bioelektronika jau sen pēta iespēju izmantot dzīvos organismus elektrisko aktivitāšu ģenerēšanai un, zināmā mērā, mūsu mašīnu barošanai. Lai gan no pirmā acu uzmetiena tas var šķist kā kaut kas no filmas “Matrica”, patiesībā memristoros, kas balstīti uz organiskajiem elementiem, slēpjas vesela aizraujoša pasaule .
Pētnieki ir atklājuši, kā tādu sēņu kā šitake micēlijs var darboties kā memristors — elektriska sastāvdaļa, kas spēj “atcerēties” iepriekšējos stāvokļus. Šis atklājums var kļūt par atslēgu jaunas paaudzes ekoloģiski tīru un bioloģiski noārdāmu elektronisko ierīču radīšanai.
Kas ir memristors un kāpēc tas ir svarīgs? Memristors ir elektroniska sastāvdaļa, kas apvieno atmiņas un rezistora funkcijas un spēj „atcerēties” iepriekšējos elektriskos stāvokļus. Pašlaik tos ražo, izmantojot tādus materiālus kā titāna dioksīds starp divām metāla elektrodēm, bet to ražošanai nepieciešami deficīti minerāli un dārgi, vidi piesārņojoši rūpnieciskie procesi. Tāpēc ir svarīgi meklēt ilgtspējīgākas alternatīvas, izmantojot organiskos materiālus.
Kā micēlijs darbojas kā atmiņa. Džona Laroko komanda no Ohaio Valsts universitātes audzēja šitake sēnes Petrī kausos līdz pilnīgai attīstībai. Pēc tam viņi tos žāvēja saulē, pārvēršot cietās diska formas struktūrās, kuras nepieciešamības gadījumā var mitrināt.
Pievienojot elektrodus šiem paraugiem un pievadot dažādu spriegumu, viņi atklāja, ka micēlijam ir vadītspējīgas struktūras, kas līdzīgas parastajiem memristoriem. Larokko teica: “Ja mēs varētu izstrādāt mikroshēmu, kas imitē reālu neironu aktivitāti, mēs varētu ievērojami samazināt enerģijas patēriņu, kad ierīce netiek izmantota.”
Eksperimenta rezultāti. Pēc divu mēnešu testēšanas memristors, kas balstīts uz šitake sēnēm, parādīja spēju mainīt savu elektriskā stāvokli līdz 5850 reizēm sekundē ar precizitāti, kas tuvu 90%. Pieslēdzot noteiktu sinusoīdu, parādījās raksturīga astoņveida ideāla memristora līkne, apstiprinot, ka micēlijs patiešām „atceras” elektrisko strāvu.
Lai gan gala rezultātā veiktspēja samazinājās augstākās frekvencēs, vairāku paraugu savienošana uzlaboja stabilitāti, ko pētnieki salīdzina ar smadzeņu neironu savienojumu tīkla efektu.
Priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem pusvadītājiem. Galvenā šo bioloģisko memristoru pievilcība ir to ekoloģiskums . Sēnes aug no organiskās biomasas, ir bioloģiski noārdāmas un rada minimālu ietekmi uz vidi. Turklāt to audzēšana ir lēta, un ražošana ir viegli mērogojama no nelieliem laboratorijas eksperimentiem līdz rūpnieciskai ražošanai. Bez tam sēnes ir izcilas pret radiāciju, kas arī var padarīt tās īpaši vērtīgas izmantošanai aerokosmiskajā nozarē.
Potenciālās lietošanas jomas un atlikušās problēmas. Šo komponentu elastība un mērogojamība paver iespējas visdažādākajās jomās, sākot no datortehnikas ekstremālos apstākļos un kosmosa pētniecības līdz autonomām sistēmām un valkājamiem ierīcēm. Tomēr joprojām pastāv ievērojamas problēmas. Kā ziņo Wired , esošie paraugi ir pārāk lieli un ir nepieciešama to miniaturizācija, lai tie varētu konkurēt ar esošajiem mikroshēmu čipiem. Turklāt micēlija elektriskās īpašības atšķiras starp paraugiem, pat ja tie ir audzēti vienā un tajā pašā vidē, kas apgrūtina stabilu rūpniecisko ražošanu.
Nākamie pētījuma posmi. Komanda plāno izstrādāt metodes, kā kultivēt micēliju un piešķirt tam ideālu formu, izmantojot 3D drukāšanu, kā arī metodes, kā kultivēšanas laikā ieviest elektriskos kontaktus. Tā arī pēta optimālo veidu, kā to ilgtermiņā saglabāt, apvienojot tādus paņēmienus kā liofilizācija un speciāli pārklājumi. “Sabiedrība arvien vairāk apzinās nepieciešamību aizsargāt vidi un saglabāt to nākamajām paaudzēm, un tas var kļūt par vienu no virzošajiem faktoriem, kas ir pamatā jaunām bioloģiski saderīgām idejām, piemēram, šai,” norādīja pētījuma līdzautore Kudsia Tahmina.
Papildus sēnēm tas nav vienīgais organiskais materiāls, kas ir parādījis „memristora” īpašības. Pētnieki no citām universitātēm eksperimentēja ar medu un cilvēka asinīm, pētot to potenciālu kā bioloģiski noārdāmiem elektroniskiem komponentiem. Medus, piemēram, var mainīt savu pretestību tikai 500 nanosekundēs un ir pilnībā bioloģiski noārdāms. Attiecībā uz asinīm, 2011. gadā Indijas zinātnieki atklāja, ka tās var darboties kā memristors, pievadot dažādu spriegumu, saglabājot stabilu pretestību vismaz 30 minūtes.
