Pilzcomputer: Wie Pilze neuromorphe Chips antreiben

Eine neue Art von biologischem Computer

Computing wurde ursprünglich mit analoger Technologie entwickelt, die sich von digitaler Technologie dadurch unterscheidet, dass sie komplexere (und unordentliche) Signale anstelle klar unterscheidbarer 1 & 0 verwendet.

Quelle: Unison Audio

In der Regel ist ein digitales Signal leichter zu analysieren, zu replizieren und zu übertragen. Ein analoges Signal hingegen bewältigt die Komplexität einer realen Situation besser, mit all ihren Nuancen.

Deshalb blicken Wissenschaftler wieder auf analoge Rechenarten, um neue Entwicklungen in KI, Sensorik und anderen Anwendungen zu ermöglichen. Dazu gehören zahlreiche verschiedene Entwürfe sogenannter neuromorpher Chips, die nachahmen, wie das Gehirn Daten verarbeitet.

Eine neue Entwicklung, die die gehirnähnliche Fähigkeit zur Datenverarbeitung nutzt, ist das Auftreten echter biologischer Computer, die organische Gewebe einsetzen, um Aufgaben zu erledigen, die normalerweise Siliziumchips vorbehalten sind. Ein Beispiel sind Organoide, im Labor gezüchtete Gewebe aus menschlichen Neuronen, die Rechenaufgaben ausführen können. Kombiniert mit neuen Techniken zum 3D‑Drucken funktionaler Gehirngewebe, könnte dies den Weg zu völlig neuen, seltsamen Rechenfähigkeiten öffnen.

Ein weiterer elektronischer Bauteiltyp, der biologische Komponenten nutzt, sollte zur Liste hinzugefügt werden: Wissenschaftler der Ohio State University haben neuromorphe organische Memristoren entwickelt, eine Art Datenprozessor, der frühere elektrische Zustände speichern kann. Allerdings haben sie diese nicht aus Neuronen, sondern aus Pilzen hergestellt.

Sie veröffentlichten ihre Entdeckung in der Fachzeitschrift PLOS One unter dem Titel “Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics”.

Warum neuromorphes Computing nutzen?

Aufstieg der NPUs

Neural Processing Units (NPUs), auch neuromorphe Chips genannt, sind eine Art KI‑Hardware, die im Vergleich zu herkömmlicheren Chips wie CPUs und GPUs einige Vorteile bietet:

• Flexibleres Design, das es der Chip‑Architektur ermöglicht, sich an Trainingsdaten anzupassen.
• Viel geringerer Energieverbrauch, manchmal nur ein Hundertstel eines vergleichbaren GPUs.
• Weniger Wärmeentwicklung hilft, das wachsende Kühlungsproblem in fortschrittlichen KI‑Rechenzentren zu bewältigen.

(You can mehr über KI‑spezialisierte Hardware, einschließlich NPUs, in unserem dedizierten Bericht lesen.)

“Die Fähigkeit, Mikrochips zu entwickeln, die echte neuronale Aktivität nachahmen, bedeutet, dass man nicht viel Strom für den Standby‑Modus oder wenn die Maschine nicht genutzt wird, benötigt.

Das kann ein enormes potenzielles rechnerisches und wirtschaftliches Vorteil sein.”

John LaRocco – Forschungswissenschaftler in Psychiatrie am College of Medicine der Ohio State University.

Derzeit werden viele Methoden zur Herstellung neuromorpher Chips erforscht:

• Nutzung von entstehender Ferroelektrizität, einem noch wenig verstandenen Phänomen.
• Aktives Substrat aus Vanadium oder Titan.
• Einsatz von Memristoren, einer neuen Art von elektronischem Bauteil, das KI‑Aufgaben mit nur 1/800 des normalen Stromverbrauchs ausführen kann.

Wie Memristoren Synapsen nachahmen

Memristoren sind elektronische Bauteile, die neuronverbundene Synapsen nachahmen indem sie sich merken, in welchen elektrischen Zustand sie geschaltet wurden, nachdem die Stromversorgung abgeschaltet wurde.

Dies kann den Energie- und Zeitverlust, der durch das Hin‑ und Herschieben von Daten zwischen Prozessoren und Speicher entsteht, erheblich reduzieren.

Eine der wichtigsten Stärken von Memristoren ist ihre Fähigkeit zu effizientem und selbstadaptivem In‑Situ‑Lernen, was für Anwendungen in Robotik und autonomen Fahrzeugen entscheidend ist.

Zudem ist der niedrige Stromverbrauch von Memristoren besonders vorteilhaft in Robotik und autonomen Fahrzeugen, wo Energieeffizienz oberste Priorität hat. Hybride analog‑digitale Memristorsysteme können den Energieverbrauch während der Verarbeitung minimieren, ohne die Reaktionsfähigkeit zu beeinträchtigen.

Das Problem bisher ist, dass die Herstellung elektronischer Memristoren auf aufstrebenden Technologien beruht, die niedrige Produktionsausbeuten und unzuverlässige elektronische Leistung aufweisen, da diese Technologie noch sehr neu ist.

Der Einsatz echter Neuronen, wie bei Organoiden, ist ebenfalls eine Option, jedoch sind Neuronen sehr schwierige Zellen zum Arbeiten, da sie relativ empfindlich und schwer zu kultivieren sind.

Aber Neuronen sind nicht die einzigen biologischen Gewebe, die elektrische Signale verarbeiten und darauf reagieren können.

Eine mögliche Alternative ist Myzel, das Gewebe, aus dem gewöhnliche Pilze bestehen, ein Organismus, der für seine bemerkenswerte Robustheit bekannt ist. Es kann in einfacheren Bioreaktoren und Nährstoffkulturen gezüchtet werden als das, was für konventionelle Neuronen und neuronale Organoide erforderlich ist.

Pilzcomputer bauen?

Fungale Materialien zeigen leitfähige Pfade, die sich dynamisch unter dem Einfluss elektrischer Stimuli bilden können, ähnlich den leitfähigen Filamenten, die in herkömmlichen Memristoren entstehen.

Diese Anpassungsfähigkeit kann zu einer verbesserten Leistung in neuromorphen Anwendungen führen, indem variable Widerstands­zustände ermöglicht werden, die synaptisches Verhalten genauer nachahmen als traditionelle memristive Materialien.

Organische Materialien haben zudem den Vorteil, bei niedrigeren Spannungen effektiv zu arbeiten, während sie die für Memristoren wichtigen stabilen Schaltcharakteristika beibehalten – sogar niedriger als bei elektronischen Memristoren, die selbst deutlich weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Rechenkomponenten.
Dies könnte für energieeffiziente Geräte in der tragbaren Elektronik und bei Internet‑der‑Dinge‑Anwendungen wichtig sein, die auf eine sehr geringe Energieversorgung angewiesen sind.
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Warum essbare Pilze für das Computing geeignet sind

Die Forscher nutzten gewöhnliche Champignons sowie essbare und medizinische Shiitake-Pilze für ihre Experimente, beide Arten, deren Anbau gut verstanden und kostengünstig ist.

Shiitake-Pilze haben bereits gezeigt, dass sie bei Aktivierung eine poröse Kohlenstoffstruktur besitzen. Diese poröse Struktur kann die elektrochemische Leistung von Geräten verbessern, wodurch sie geeignete Kandidaten für den Einsatz in Energiespeichersystemen, einschließlich Superkondensatoren und potenziell Memristoren, sind.

Sie sind zudem sehr strahlungsbeständig, was für Anwendungen wie die Luft- und Raumfahrt von Vorteil sein könnte, wo elektronische Chips durch ionisierende Strahlung wie UV und Sonnenwind beschädigt werden können.

Fungale elektrische Reaktion

Die Wissenschaftler schlossen die getestete Pilzmasse an, nachdem sie dehydriert worden war.

Quelle: PLOS One

Anschließend wurden sie über ein Spektrum von Spannungen, Wellenformen und Frequenzen hinweg auf ihre potenziellen Memristor‑Fähigkeiten getestet.

Das reagierende analoge Signal zeigte starke memristive Eigenschaften und ahmte analog das digitale Signal nach.

Quelle: PLOS One

Insgesamt scheinen die beobachtete schnelle Schaltgeschwindigkeit von 5.850 Hz, eine Genauigkeit von 90 % (± 1 %), relativ geringer Energieverbrauch, geringes Gewicht und Strahlungsbeständigkeit Fungus‑Memristoren für Edge‑Computing, Luft‑ und Raumfahrt sowie eingebettete Firmware‑Anwendungen attraktiv zu machen.

Allerdings sank die Genauigkeit mit steigender Frequenz, sodass nicht alle Signaltypen wahrscheinlich mit dieser Methode verarbeitet/rechnet werden können.

Es sollte zudem beachtet werden, dass das Verfahren ausschließlich biologisch abbaubare Materialien erzeugt (Lebensmittel‑Qualität Shiitake wird auf Holzspänen gezüchtet) und keine seltenen Erden oder toxischen Materialien benötigt, im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Chips.

Zukünftiges Potenzial

Die vorliegende Studie war ein erster Versuch und war in zweierlei Hinsicht eingeschränkt:

• Die Tests waren relativ kurz und dauerten nur 2 Monate. Daher muss die langfristige Leistungsfähigkeit der Pilz‑Memristoren noch untersucht werden.
• Die Methode nutzte eine Massenproduktion, während tatsächliche Anwendungen eine Mikrokultur des Myzels erfordern würden, die in einer speziellen Umgebung gezüchtet wird und wesentlich kleinere sowie kontrolliertere Ergebnisse liefert.

Dies ist also lediglich ein Machbarkeitsnachweis, der demonstriert, dass etwas so Exotisches wie Pilz‑Computing überhaupt möglich und zuverlässig ist.

Zukünftige Designs würden wahrscheinlich konsistentere Anbautechniken einsetzen, bei denen 3D‑gedruckte Vorlagen und Strukturen den Shiitake-Pilz in die gewünschte Geometrie formen.

Die Programmierung könnte zudem erleichtert werden, indem elektrische Kontakte zu einer 3D‑gedruckten Kultivierungsstruktur hinzugefügt werden.

Schließlich würde ein langfristiger Einsatz eine Konservierung erfordern, die verschiedene Techniken umfassen könnte, darunter Dehydratisierung, Austrocknung, Gefriertrocknung, bestimmte Hydrogele und spezielle Beschichtungen.

Trotzdem ist die Idee, Memristoren ausschließlich aus organischen Materialien zu entwickeln, wobei das widerstandsfähige, preiswerte und biologisch abbaubare Pilzmaterial verwendet wird, faszinierend.

Investieren in das Bioprinting

BICO Group AB (BICO.ST)

Da das organisch‑basierte Computing voranschreitet, wird das 3D‑Drucken lebender Gewebe voraussichtlich ein immer häufiger eingesetztes Werkzeug werden – zunächst in der Forschung und später bei der eigentlichen Produktion von Geräten, die diese Technologie nutzen.

Ein führendes Unternehmen in diesem Bereich ist Cellink, dessen Maschinen weltweit von Forschern für das Bioprinting eingesetzt werden.

Quelle: Cellink

Im Jahr 2021 wurde Cellink in die BICO Group umbenannt, nachdem das Unternehmen 2019 Cytena und 2020 Scienion übernommen hatte.

Cellink ist weiterhin der Markenname für den Bioprinting‑Bereich des Unternehmens. Dies könnte auch zur Erstellung von 3D‑Geweben oder -Organen auf Abruf verwendet werden. (Sie können eine Diskussion zu diesem Thema in “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?” lesen.)

Bioprinting stellt etwa 1/5^th des Geschäfts dar, mit dem bioscience automation segment, einschließlich Bildgebung biologischer Proben, das mehr als 3/5^th der Einnahmen ausmacht.

Quelle: BICO Group AB

Langfristig werden Bioprinting‑Unternehmen voraussichtlich von der Bereitstellung von Werkzeugen für Forscher zu Lieferanten von bioprinting‑Therapien für Patienten der Pharmaunternehmen werden.

Dies wird wiederum die Anzahl der im Einsatz befindlichen Bioprinter und, noch wichtiger, das monatlich verkaufte Volumen an Verbrauchsmaterialien vollständig verändern.

Dies ist derselbe Prozess, der bei anderen Herstellern von Laborausrüstung stattfand, einschließlich der Genome‑Sequenziergeräte von PacBio (PACB) und Illumina (ILMN), die letztlich 80 % ihrer Einnahmen aus wiederkehrenden Verkäufen von Verbrauchsmaterialien erzielen.

Da die BICO Group nicht ausschließlich von diesem Bereich abhängig ist, kann sie die Technologie weiter verbessern, bis sie eine kritische Nutzerzahl erreicht, und gleichzeitig Geld verdienen und ihr Vertriebsnetz mit Biowissenschaftlern aus ihren anderen, reiferen Produkten im Bereich bioscience automation ausbauen.